Объемный анализ и его методы. Концентрации растворов: титр, нормальная концентрация

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ РАСТВОРОВ И РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Растворы веществ с молярной массой меньше 5000 г/моль называются растворами низкомолекулярных соединений (НМС), а растворы веществ с молярной массой больше 5000 г/моль – растворами высокомолекулярных соединений (ВМС).
По наличию или отсутствию электролитической диссоциации растворы НМС подразделяют на два класса – растворы электролитов и неэлектролитов.
Растворы электролитов – растворы диссоциирующих на ионы солей, кислот, оснований, амфолитов. Например, растворы KNО3, HCl, КОН, Аl(ОН)3 , глицина.
Электрическая проводимость растворов электролитов выше, чем растворителя.
Растворы неэлектролитов – растворы веществ, практически не диссоциирующих в воде. Например, растворы сахарозы, глюкозы, мочевины. Электрическая проводимость растворов неэлектролитов мало отличается от растворителя.
Растворы НМС (электролитов и неэлектролитов) называются истинными.
Большинство ВМС – полимеры, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок или мономерных звеньев, соединенных между собой химическими связями. Растворы ВМС называются растворами полиэлектролитов.
К полиэлектролитам относятся поликислоты (гепарин, полиадениловая кислота, полиаспарагиновая кислота и др.), полиоснования (полилизин), полиамфолиты (белки, нуклеиновые кислоты).
В зависимости от степени насыщения растворенным веществом различают насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы.
Насыщенный раствор содержит максимальное количество вещества, которое может растворяться в данном количестве растворителя при определенных условиях. Насыщенный раствор находится в равновесии с избытком растворяемого вещества. При этом данное равновесие является динамическим: в единицу времени столько частиц выпадает в осадок, сколько их переходит в раствор.
Концентрация насыщенного раствора того или иного вещества при неизменных условиях есть величина постоянная. Если в насыщенный раствор внести какое-то новое количество растворяемого вещества, то ровно столько, сколько внесли, выпадает в осадок. Концентрация насыщенного раствора является мерой растворимости вещества при данных условиях. Очень часто растворимость выражают числом граммов растворенного вещества, которое содержится в 100 г раствора или же в 100 г растворителя. Для насыщенного раствора при постоянной температуре mр=const, mрв=макс (mр—масса раствора, mрв—масса растворенного вещества).
Если при данных условиях не достигнута концентрация насыщенного раствора, то такой раствор называют ненасыщенным.
Ненасыщенный раствор всегда содержит меньшее количество вещества, чем насыщенный. Если в него вносят новые количества растворяемого вещества, то растворение продолжается. Для ненасыщенного раствора при постоянной температуре mр=const, mрв<макс.
Иногда, например при медленном охлаждении, в растворе можно получить большую концентрацию, чем та, которая отвечает насыщенному раствору. Такие растворы называют пересыщенными. Для них характерна неустойчивость. Они не могут существовать при наличии даже одного кристалла растворенного вещества, а иногда просто при встряхивании пересыщенные растворы переходят в насыщенные. Для пересыщенного раствора при постоянной температуре mp=const, mрв>макс.
При характеристике раствора часто используют термины концентрированный раствор и разбавленный раствор.
Концентрированный раствор содержит значительные количества растворенного вещества в отличие от растворов с малым количеством растворенного вещества, называемых разбавленными. Концентрация разбавленных растворов сильно отличается от растворимости данного вещества.
При классификации растворителей прежде всего выделяют характер их участия в процессе кислотно-основного взаимодействия. По этому признаку выделяют апротонные и протолитические растворители.
Апротонные растворители представляют собой химические соединения инертного характера. Их молекулы не ионизированы. Они практически не отдают и не присоединяют протоны. Кислотно-основное равновесие в этих растворителях осуществляется почти полностью без их участия. К ним относятся углеводороды, например гексан, бензол и их галогенопроизводные, например хлороформ, тетрахлорид углерода и др.
К протолитическим растворителям относятся такие, молекулы которых способны отдавать или присоединять протоны. Эти растворители принимают участие в кислотно-основном взаимодействии. Среди них выделяют три группы: протогенные (кислые), протофильные (основные) и амфипротные.
Протогенные растворители способны к отдаче протона. Сюда относятся жидкие галогеноводороды (НС1, НВг), серная кислота, безводная муравьиная, уксусная и др. В этих растворителях уменьшается число веществ, проявляющих кислые свойства.
Протофильные растворители способны принимать протоны. К ним относятся жидкий аммиак, пиридин, гидразин и др. В этих растворителях увеличивается число веществ, проявляющих кислые свойства. Например, гуанидин является основанием в водной среде, а в жидком аммиаке ведет себя как кислота.
Амфипротные растворители способны как отдавать, так и присоединять протоны. К ним относятся вода, спирты, кетоны, нитрилы и др.
Растворы НМС (электролиты и неэлектролиты) называются верными.
Большинство ВМС представляют собой полимеры, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся групп или мономерных звеньев, связанных химическими связями. Растворы ВМС называются растворами полиэлектролитов.
Полиэлектролиты включают поликислоты (гепарин, полиадениловая кислота, полиаспарагиновая кислота и т. д.), полибазы (полилизин), полиамфолиты (белки, нуклеиновые кислоты).
В зависимости от степени насыщения растворенным веществом выделяют насыщенные, ненасыщенные и перенасыщенные растворы.
Насыщенный раствор содержит максимальное количество вещества, которое может быть растворено в данном количестве растворителя при определенных условиях. Насыщенный раствор находится в равновесии с избытком растворенного вещества. Более того, это равновесие является динамическим: в единицу времени столько частиц осаждается, сколько они попадают в раствор.
Концентрация насыщенного раствора того или иного вещества в постоянных условиях является постоянной величиной. Если к насыщенному раствору добавить какое-то новое количество растворенного вещества, то точно столько, сколько было добавлено, выпадет в осадок. Концентрация насыщенного раствора является мерой растворимости вещества в данных условиях. Очень часто растворимость выражается в количестве граммов растворенного вещества, которое содержится в 100 г раствора или в 100 г растворителя. Для насыщенного раствора при постоянной температуре mр = const, mрв = max (mр - масса раствора, mрw - масса растворенного вещества).
Если при этих условиях концентрация насыщенного раствора не достигается, то такой раствор называется ненасыщенным.
Ненасыщенный раствор всегда содержит меньше вещества, чем насыщенный. Если в него вводятся новые количества растворенного вещества, растворение продолжается. Для ненасыщенного раствора при постоянной температуре mр = const, мрв <макс.
Иногда, например, при медленном охлаждении можно получить более высокую концентрацию в растворе, чем концентрация, соответствующая насыщенному раствору. Такие решения называются перенасыщенными. Они характеризуются нестабильностью. Они не могут существовать в присутствии даже одного кристалла растворенного вещества, а иногда, просто встряхивая, перенасыщенные растворы превращаются в насыщенные. Для пересыщенного раствора при постоянной температуре mp = const, mрв> max.
При характеристике раствора часто используются термины концентрированный раствор и разбавленный раствор.
Концентрированный раствор содержит значительное количество растворенного вещества, в отличие от растворов с небольшим количеством растворенного вещества, называемых разбавленными. Концентрация разбавленных растворов сильно отличается от растворимости данного вещества.
При классификации растворителей, прежде всего, различается характер их участия в процессе кислотно-основного взаимодействия. Исходя из этого, апротонные и протолитические растворители различаются.
Апротонные растворители являются инертными химическими соединениями. Их молекулы не ионизированы. Они практически не дают и не прикрепляют протоны. Кислотно-основное равновесие в этих растворителях происходит практически полностью без их участия. К ним относятся углеводороды, такие как гексан, бензол и их производные с галогенами, такие как хлороформ, четыреххлористый углерод и т. д.
Протолитические растворители включают те, чьи молекулы способны дарить или присоединять протоны. Эти растворители участвуют в кислотно-основных взаимодействиях. Среди них выделяют три группы: протогенная (кислая), протофильная (основная) и амфипротическая.
Протогенные растворители способны пожертвовать протон. Это включает жидкие галогеноводороды (HCl, HBr), серную кислоту, безводную муравьиную кислоту, уксусную кислоту и т. д. В этих растворителях количество веществ, проявляющих кислотные свойства, уменьшается.
Протофильные растворители способны принимать протоны. К ним относятся жидкий аммиак, пиридин, гидразин и т. д. В этих растворителях увеличивается количество веществ, проявляющих кислотные свойства. Например, гуанидин является основанием в водной среде и ведет себя как кислота в жидком аммиаке.
Амфипротические растворители способны как дарить, так и прикреплять протоны. К ним относятся вода, спирты, кетоны, нитрилы и т. д.
Образование раствора является сложным физико-химическим процессом. Процесс растворения всегда сопровождается увеличением энтропии системы; когда образуются растворы, тепло часто выделяется или поглощается. Теория решений должна объяснить все эти явления.
Исторически сложилось два подхода к формированию решений - физическая теория, основы которой были заложены в 19 веке, и химическая теория, одним из основателей которой был Д.И. Менделеев.
Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение растворенных частиц между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы DS; при растворении тепловые или объемные эффекты отсутствуют (DN = 0, DV = 0; такие решения обычно называют идеальными).
Химическая теория рассматривает процесс растворения как образование смеси нестабильных химических соединений переменного состава, сопровождающихся тепловым эффектом и изменением объема системы (сокращением), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенное вещество.
Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.
В общем случае при растворении свойства как растворителя, так и растворенного вещества изменяются, что обусловлено взаимодействием частиц друг с другом в соответствии с различными типами взаимодействия: Ван-дер-Ваальсом (во всех случаях), ион-дипольным ( в растворах электролитов в полярных растворителях) специфические взаимодействия (образование водородных или донорно-акцепторных связей). Учет всех этих взаимодействий является очень сложной задачей. Очевидно, что чем выше концентрация раствора, тем интенсивнее взаимодействие частиц, тем сложнее структура раствора. Поэтому количественная теория была разработана только для идеальных решений, которые включают газообразные растворы и растворы неполярных жидкостей, в которых энергия взаимодействия разнородных частиц EA-B близка к энергиям взаимодействия тех же EA-A и EB-B частицы.
Концентрация раствора - называется содержание растворенного вещества в виде массы, объема или количества на единицу массы или объема раствора (растворителя).
Различают массовые и объемные концентрации. И первое, и второе используются в аналитической химии.
Методы выражения концентрации решения
Массовый процент (%) указывает на содержание растворенного вещества в г (кг) на 100 г (кг) раствора. Процентная концентрация по объему (%) - показывает содержание вещества в см3 в 100 см3 раствора. Массово-объемная процентная концентрация (%) - показывает содержание вещества в г (кг) в 100 см3 (дм3) раствора. Зная массу раствора, вы можете рассчитать его объем и, наоборот, по объему раствора рассчитать его массу. Молярная концентрация (М) - это число молей растворенного вещества в 1 дм3 раствора. Нормальная концентрация (N) - это количество растворенных эквивалентов молей в 1 дм3 раствора.
Эквивалентом является определенная действительная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или представлять собой другой эквивалентный образец к одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или к одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.
Коэффициент эквивалентности (f) представляет собой число, которое указывает, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной реакции окисления-восстановления.
Коэффициент эквивалентности и эквивалент данного вещества не являются постоянными значениями, а зависят от стехиометрии реакции, в которой они принимают участие.
Молярная масса эквивалента вещества Ev (эквивалентная масса) - это масса одного моля эквивалентов этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества. Зная нормальность решения, вы можете рассчитать молярность и наоборот. Молярная концентрация (м) - количество молей вещества, растворенного в 1000 г растворителя. Титр раствора (Т) - количество граммов вещества, содержащегося в 1 мл раствора.
Применимость методов выражения концентрации растворов, их свойства
В связи с тем, что молярность, массовая доля, мольная доля не включают значения объемов, концентрация таких растворов остается неизменной при изменении температуры.
Молярность, объемная доля, титр, нормальность изменяются с изменением температуры, так как при этом изменяется плотность растворов. Именно молярность используется в формулах для повышения температуры кипения и понижения температуры замерзания растворов.
Разные виды выражения концентрации растворов используются в разных сферах деятельности, в соответствии с простотой использования и приготовления растворов указанных концентраций.