Лекция по теме "Растворы"

Тема: Растворы.

Основные понятия и термины по теме: растворитель, растворенное вещество, сольваты, гидраты, осмос, осмотическое давление, изотонический коэффициент, криоскопия, эбулиоскопия, перегонка, ректификация, азеатропные смеси, экстракция, экстракт, рафинат, экстрагент.

План изучения темы:

1. Общая характеристика растворов. Классификация растворов.

2. Осмос. Обратный осмос. Возможность использования обратного осмоса

для очистки сточных вод. Осмотическое давление в растворах электролитов. Изотонический коэффициент и его физический смысл.

3. Термодинамическое равновесие в системе «раствор-пар». Понижение упругости пара растворителя над разбавленным раствором неэлектролитов и электролитов. Закон Рауля.

4. Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания

разбавленных растворов неэлектролитов и электролитов. Эбулиоскопия и криоскопия. Практическое применение этих методов. Растворы жидкостей в жидкостях.

5. Перегонка, физические основы и сущность процесса. Первый закон Коновалова.

6. Ректификация: физическая сущность и теоретические основы процесса.

Основные признаки ректификации. Азеатропные смеси. Второй закон Коновалова.

7.Равновесное распределение третьего компонента между двумя несмешивающимися жидкостями. Закон распределения. Экстракция.

Краткое изложение теоретических вопросов.

Раствором называют гомогенную часть многокомпонентной системы. Одним из компонентов раствора называют растворителем, а остальные – растворенными веществами.

Электролиты в растворах диссоциируют на ионы, о чем сказано в гипотезе электролитической диссоциации (1887 г.) Аррениуса. Это явление принято характеризовать степенью диссоциации а, под которой подразумевается отношение числа молекул, диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества: α= NД/Nобщ.

Диссоциация молекул на ионы — обратимый процесс и контролируетсяон вторым законом термодинамики, т. е. его можно рассматривать как разновидность химического равновесия. Поэтому для более полной характеристики электролитической диссоциации введена так называемая константа диссоциации Кд, которая является константой равновесия этого процесса.

Важная характеристика раствора — «частичная» концентрация. Для растворов неэлектролитов она совпадает с молярной концентрацией, а в случае растворов электролитов, как следует из вышеизложенного, она превышает ее. При расчете свойств растворов электролитов это обстоятельство необходимо учитывать, для чего вводится поправочный коэффициент i — изотонический

коэффициент Вант-Гоффа.

Способ определения молярной массы неэлектролитов, основанный на понижении температуры начала кристаллизации жидкости при растворении в ней исследуемого вещества, называют криоскопическим анализом или криоскопией.

Способ определения молярной массы неэлектролитов, основанный на повышении температуры начала закипания жидкости при растворении в ней исследуемого вещества, называется эбулиоскопическим анализом или эбулиоскопией.

Коновалов в 1881 г. дал частное определение, дополняющее первый закон, названное вторым законом Коновалова: экстремумы на кривых давления пара над раствором отвечают такому равновесному состоянию системы, при котором состав пара над раствором совпадает с составом раствора Растворы, состав которых отвечает указанным экстремальным точкам, называются азеотропными смесями. Они кипят как одно целое при постоянной температуре и не разделяются путем перегонки, поэтому их еще называют нераздельно кипящими смесями.

Если пар, равновесный с кипящим раствором, отвести от него и создать условия для конденсации, то получится новый раствор, обогащенный по сравнению с первым более летучим компонентом. Это явление нашло широкое применение для разделения смесей летучих компонентов, а способы такого разделения в зависимости от методов исполнения называют перегонкой или ректификацией.

Сущность перегонки заключается в кипячении разделяемого раствора в кубовой емкости с одновременным отведением паров с его поверхности через конденсатор в сборник, где собирается конденсат. Конденсат — это новый раствор, более обогащенный низкокипящим, т. е. более летучим, веществом, чем исходный раствор. По мере выкипания раствор постепенно обогащается высококипящим, т. е. менее летучим веществом. В результате этого температу ра кипения раствора в ходе перегонки непрерывно повышается, а его состав изменяется в сторону увеличения содержания высококипящего компонента.

Перегонку применяют тогда, когда не требуется полного разделения смеси.

Она эффективна только при значительном различии испаряемостей компонентов смеси, т. е. когда они сильно различаются по температурам кипения.

Например, при разделении водно-ацетоновых, водно-спиртовых, уксусноводных и т. п. смесей. проницаемую для растворителя, называют полупроницаемой. Такими войствами по отношению к водным растворам обладают целлофан, пергамент, стенки кишечника, мочевой пузырь и т. п.

Ректификация — это многократно повторяющиеся процессы испарения, отвода пара и конденсации, проводимые в специальных аппаратах — ректификационных колоннах. Хотя по конструкции они отличаются друг от друга, принцип действия их одинаков. Все они разделены на сообщающиеся между собой секции — ректификационные тарелки. Конструкция этих тарелок позволяет жидкости и пару двигаться противотоком, вступая между собой в массообмен. В соответствии с первым законом Коновалова, проходя через ректификационную тарелку, пар обогащается низкокипящим компонентом, а жидкость высоко-кипящим. Изменяя число ректификационных тарелок в колонне, можно регулировать полноту разделения смеси. Чем больше тарелок, тем более четко разделяется смесь на компоненты.

Экстракция – способ извлечения веществ из сложных систем (жидких, твердых или смешанных) обработкой их селективным (избирательным) растворителем, называемым экстрагентом.

Чаще всего экстрагент не растворяется в обрабатываемой системе, а является отдельной фазой. В результате экстракции образуются: экстракт —

раствор извлеченных компонентов в экстрагенте, и рафинат — обработанная

смесь, обедненная извлекаемыми компонентами. Весь процесс экстракции ведут в специальных аппаратах — экстракторах, различающихся как по конструкции, так и по принципу действия.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Приведите несколько примеров физических смесей и растворов. Чем они отличаются?

2. Сформулируйте первый и второй законы Коновалова.

3. Можно ли разделить перегонкой азеатропные смеси?

4. Каков физический смысл изотонического коэффициента i и как связан коэффициент со степенью диссоциации растворенного вещества?