Физическая теория растворов кратко

Обновлено: 28.06.2024

Раствор – однородная (гомогенная) смесь двух или большего числа веществ (компонентов), которые равномерно распределены в растворе в виде отдельных атомов, ионов и молекул.

В течение длительного времени растворение рассматривалось в основном как химический процесс. Этого взгляда придерживался и Д. И. Менделеев, исключавший при этом из рассмотрения смеси жидкостей, близких по своей природе. Иной взгляд на процесс растворения развивал один из ярких представителей “физической” теории растворов В. Ф. Алексеев. Алексеев считал химическое взаимодействие важным, но не обязательным фактором растворения и полемизировал с Менделеевым. Впоследствии Менделеев признал важную роль физического фактора при образовании растворов, но высказывался против крайнего, чисто физического взгляда на природу растворов. Физическая теория растворов получила особенное развитие после 80-х годов прошлого века в связи с успехами в изучении разбавленных растворов (Вант-Гофф, Аррениус, Оствальд). Была создана первая количественная теория растворов, связанная с представлением о растворенном веществе как о газе, распространяющемся в инертном растворителе. Однако вскоре было обнаружено, что количественная теория Вант-Гоффа - Аррениуса справедлива только для очень разбавленных растворов. В последние десятилетия борьба двух точек зрения уступила место признанию важного значения обоих факторов и невозможности их противопоставления. Однако сложность и разнообразие закономерностей, охватывающих свойства растворов различных веществ, делают теорию растворов труднейшей проблемой молекулярной физики и учения о химических связях.

Итак, исторически сложились два подхода к образованию растворов:

  • Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).
  • Химическая теория рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного вещества (так, растворение бесцветного сульфата меди СuSО4 в воде приводит к образованию окрашенного раствора, из которого выделяется не СuSО4, а голубой кристаллогидрат СuSО4·5Н2О).
  • Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.

В общем случае при растворении происходит изменение свойств и растворителя, и растворенного вещества, что обусловлено взаимодействием частиц между собой по различным типам взаимодействия: Ван-дер-Ваальсового (во всех случаях), ион-дипольного (в растворах электролитов в полярных растворителях), специфических взаимодействий (образование водородных или донорно-акцепторных связей). Учет всех этих взаимодействий представляет собой очень сложную задачу. Очевидно, что чем больше концентрация раствора, тем интенсивнее взаимодействие частиц, тем сложнее структура раствора. Поэтому количественная теория разработана только для идеальных растворов, к которым можно отнести газовые растворы и растворы неполярных жидкостей, в которых энергия взаимодействия разнородных частиц EA-B близка к энергиям взаимодействия одинаковых частиц EA-A и EB-B. Идеальными можно считать также бесконечно разбавленные растворы, в которых можно пренебречь взаимодействием частиц растворителя и растворенного вещества между собой. Свойства таких растворов зависят только от концентрации растворенного вещества, но не зависят от его природы.

Существует 2 теории растворов: физическая и химическая.

Физическая теория растворов.

Была открыта Якобом Г. Вант-Гоффом и Свате А.Аррениусом.

Суть теории растворов: растворитель – химическая индифферентная среда, в которой равномерно распределены частицы растворенного вещества. Теория не предполагает наличие межмолекулярных связей между растворителем и растворенным веществом.

Под эту теорию подходят только идеальные растворы, где компоненты растворителя никак не воздействуют на растворимое соединение. Примером являются газовые растворы, где нереагирующие между собой газы смешиваются друг с другом в неограниченных количествах. Все физические данные (температура кипения и плавления, давление, теплоемкость) вычисляется исходя из свойств всех соединений, входящих в состав.

По закону Дальтона: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов:

Химическая теория растворов.

Химическую (сольватную) теорию растворов описал Д.И. Менделеев. Суть заключается в следующем: частицы растворителя и растворенного вещества реагируют друг с другом, в результате чего получаются нестойкие соединения переменного состава – гидраты (сольваты). Основные связи тут – водородные.

Вещество может распадаться на слои (растворяться) в случае полярного растворителя (воды). Ярким примером является растворение поваренной соли.

Также может проткать реакция между компонентами смеси:

В ходе процесса растворения происходит изменение состава и объема реакционной смеси, т.к. протекают 2 процесса: разрушение структуры растворяемого вещества и химическая реакция между частицами. Оба процесса идут с изменением энергии.

Тепловые эффекты могут быть экзотермическими и эндотермическими (с выделением и поглощением энергии).

Соединения с частицами растворителя называются гидратами.

Кристаллические вещества, в состав которых входят гидраты, называются кристаллогидратами и имеют различную окраску. Например, кристаллогидрат сульфата меди: CuSO4 ·5H2О. Раствор кристаллогидрата синий. Если рассмотреть кристаллогидрат кобальта CoCl2· 6H2O, то он обладает розовым цветом, CoCl2· 4H2O – красный, CoCl2 ·2H2O - сине-фиолетовый, CoCl2 ·H2О – темно-синий, а безводный раствор хлорида кобальта – бледно-синего цвета.

Физическая теория растворов развивалась в трудах Вант-Гоффа, Рауля, Аррениуса. В их работах для объяснения свойств растворов проводилась аналогия с движением молекул газа. Отрицалось взаимодействие растворенного вещества и растворителя.

Химическая теория растворовразвивалась в трудах Д.И. Менделеева, Д.П. Коновалова, Н.С. Курнакова. Было показано, что:

1) растворение веществ сопровождается выделением или поглощением теплоты (например, при растворении NaOH происходит разогрев раствора ∆H 0);

2) в результате химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются химические соединения – сольваты, если растворитель H2O – гидраты. Эти соединения образуются за счет донорно-акцепторного, диполь-дипольного взаимодействий и за счет водородных связей. Особенно легко гидратируются ионы. Например образование кристаллогидрата меди CuSO4∙5H2O.

Таким образом, растворение - это физико-химический процесс, а растворы - это физико-химические системы, включающие растворитель, растворенное вещество и продукты их взаимодействия (сольватированные молекулы, ионы, их ассоциаты и продукты более глубокого их взаимодействия, например, гидролиза).

Электролитическая диссоциация. Сильные и слабые электролиты

Электролиты– это вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. К ним относятся соли, кислоты и основания.

Электролитическая диссоциация - это распад электролитов на ионы, под действием полярных молекул растворителя при растворении в воде или рсплавлении.

Основные положения теории электролитической диссоциции: (Была разработана С.Аррениусом -1889 г., Кистяковским, Каблуковым)

1. Электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы. Ионы – это атомы или группы атомов, имеющие положительный или отрицательный заряд. [катионы (+) и анионы (-)].

2.Ионы отличаются от атомов, как по строению, так и по свойствам. Например, металлический натрий – активный щелочной металл, электронная конфигурация Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Катион натрия Na + не активен, его электронная структура Na + 1s 2 2s 2 2p 6 совпадает со структурой инертного газа неона.

3. Ионы в растворе двигаются хаотично, под действием электрического тока они приобретают направленное движение. Катионы (+) движутся к катоду (- электрод), анионы (-) движутся к аноду (+ электрод).

4. Диссоциация – процесс обратимый, параллельно с распадом на ионы –диссоциацией, идет соединение ионов в молекулы – ассоциация.

5. Ионы, которые образуются при диссоциации в водном растворе гидратированы, т.е. окружены молекулами воды.

Уравнение электролитической диссоциации:

Упрощено: NaCl Na + + Cl -

В водных растворах легче всего диссоциируют вещества с ионной связью. Диссоциация веществ с полярной ковалентной связью проходит в несколь-

ко этапов. Важнейшей характеристикой растворителя является величина диэлектрической проницаемости ε(эпсилон), которая характеризует полярность растворителя. ε показывает, во сколько раз сила притяжения двух ионов в растворителе меньше, чем в вакууме. Например, ε H2O=81, это значит, что в воде сила ионной связи ослабевает в 81 раз. ε C6H6=2.3, ε C2H5OH=25, поэтому вода один из самых сильных растворителей.

Таким образом, электролитами являются вещества с ионной или ковалентной связью и диссоциировать они могут только в полярных растворителях.

Физическая теория растворов развивалась в трудах Вант-Гоффа, Рауля, Аррениуса. В их работах для объяснения свойств растворов проводилась аналогия с движением молекул газа. Отрицалось взаимодействие растворенного вещества и растворителя.

Химическая теория растворовразвивалась в трудах Д.И. Менделеева, Д.П. Коновалова, Н.С. Курнакова. Было показано, что:

1) растворение веществ сопровождается выделением или поглощением теплоты (например, при растворении NaOH происходит разогрев раствора ∆H 0);

2) в результате химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются химические соединения – сольваты, если растворитель H2O – гидраты. Эти соединения образуются за счет донорно-акцепторного, диполь-дипольного взаимодействий и за счет водородных связей. Особенно легко гидратируются ионы. Например образование кристаллогидрата меди CuSO4∙5H2O.




Таким образом, растворение - это физико-химический процесс, а растворы - это физико-химические системы, включающие растворитель, растворенное вещество и продукты их взаимодействия (сольватированные молекулы, ионы, их ассоциаты и продукты более глубокого их взаимодействия, например, гидролиза).

Электролитическая диссоциация. Сильные и слабые электролиты

Электролиты– это вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток. К ним относятся соли, кислоты и основания.

Электролитическая диссоциация - это распад электролитов на ионы, под действием полярных молекул растворителя при растворении в воде или рсплавлении.

Основные положения теории электролитической диссоциции: (Была разработана С.Аррениусом -1889 г., Кистяковским, Каблуковым)

1. Электролиты при растворении в воде распадаются (диссоциируют) на ионы. Ионы – это атомы или группы атомов, имеющие положительный или отрицательный заряд. [катионы (+) и анионы (-)].

2.Ионы отличаются от атомов, как по строению, так и по свойствам. Например, металлический натрий – активный щелочной металл, электронная конфигурация Na 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Катион натрия Na + не активен, его электронная структура Na + 1s 2 2s 2 2p 6 совпадает со структурой инертного газа неона.

3. Ионы в растворе двигаются хаотично, под действием электрического тока они приобретают направленное движение. Катионы (+) движутся к катоду (- электрод), анионы (-) движутся к аноду (+ электрод).

4. Диссоциация – процесс обратимый, параллельно с распадом на ионы –диссоциацией, идет соединение ионов в молекулы – ассоциация.

5. Ионы, которые образуются при диссоциации в водном растворе гидратированы, т.е. окружены молекулами воды.

Уравнение электролитической диссоциации:

Упрощено: NaCl Na + + Cl -

В водных растворах легче всего диссоциируют вещества с ионной связью. Диссоциация веществ с полярной ковалентной связью проходит в несколь-

ко этапов. Важнейшей характеристикой растворителя является величина диэлектрической проницаемости ε(эпсилон), которая характеризует полярность растворителя. ε показывает, во сколько раз сила притяжения двух ионов в растворителе меньше, чем в вакууме. Например, ε H2O=81, это значит, что в воде сила ионной связи ослабевает в 81 раз. ε C6H6=2.3, ε C2H5OH=25, поэтому вода один из самых сильных растворителей.

Таким образом, электролитами являются вещества с ионной или ковалентной связью и диссоциировать они могут только в полярных растворителях.

При растворении частиц вещества происходят физические и химические взаимодействия этих частиц с молекулами растворителя.

Сторонники физической теории растворов , которую развивали Вант-Гофф, Аррениус и Оствальд, считали, что процесс растворения является результатом диффузии, т. е. проникновения растворённого вещества в промежутки между молекулами воды.

В противоположность представлениям физической теории растворов Д. И. Менделеев и сторонники химической теории растворов доказывали, что растворение является результатом химического взаимодействия растворённого вещества с молекулами воды. В результате химического взаимодействия растворённого вещества с водой образуются соединения — гидраты.

Читайте также: