Классификация, состав, номенклатура оксидов, кислот, оснований. Способы получения и их химические свойства. 4 страница

Все эти явления свидетельствуют об изменении химической природы компонентов раствора в процессе его образования. Д.И. Менделеев, изучая со­стояние веществ в растворах, развил представление о химическом характере процесса растворения, противопоставляя это учение физической теории рас­творения, согласно которой растворы - чисто механические смеси частиц рас­творителя и растворенного вещества. Он пришел к выводу, что в растворе обра­зуются соединения, состоящие из растворенного вещества и растворителя. Та­кие соединения получили название сольватов. Если растворителем является вода, то соединения, образующиеся в растворе, называются гидратами. Развитая Менделеевым химическая, или гидратная теория лежит в основе всего современного учения о растворах.

С термодинамической точки зрения растворение всегда сопровождается убылью энергии Гиббса. При этом независимо от знака изменения энтальпии при растворении всегда д G < 0, так как переход вещества в раствор сопрово­ждается значительным возрастанием энтропии вследствие стремления системы к разупорядочению. Раствор, в котором при данных условиях невозможно дальнейшее растворение вещества, называется насыщенным относительно дан­ного вещества. Насыщенный раствор можно определить как раствор, находя­щийся в динамическом равновесии с осадком растворяемого вещества.

Растворы с меньшей концентрацией называются ненасыщенными.

Раствор, содержащий больше растворенного вещества, чем это определя­ется его растворимостью, называется пересыщенным. Пересыщенный раствор представляет собой неустойчивую систему. При любом внешнем воздействии (встряхивании, внесении кристалла затравки) в системе происходят необрати­мые изменения, сопровождающиеся осаждением избыточного количества рас­творенного вещества.

Разбавленный раствор - это раствор, в котором содержание растворенно­го вещества очень мало по сравнению с содержанием растворителя.

2. Растворимость. Факторы, влияющие на растворимость.

Растворимость - это способность одного вещества растворяется в другом. Количественно растворимость твердых веществ и жидкостей определяется ко­эффициентом растворимости.

Коэффициент растворимости выражается массой безводного вещества, растворяющегося при данных условиях в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора. Растворимость газов определяется объемом газа, рас­творяющегося при постоянной температуре в одном объеме растворителя с об­разованием насыщенного раствора.

Коэффициент растворимости большинства твердых веществ при повышении температура возрастает. Однако известны вещества, растворимость которых с ростом температуры понижается. К их числу относиться, например, карбонат и сульфат кальция, гидроксиды кальция и магния и другие. Понижение раство­римости с температурой иногда связано с переходом в менее гидратированную форму.

Если насыщенный раствор, приготовленный при повышенной температу­ре, охлаждать, то вследствие уменьшения растворимости часть растворенного вещества будет выпадать в осадок. Это явление часто используют для очистки веществ перекристаллизацией.

В воде растворяются не только твердые вещества, но и многие жидкости. Одни из них, например, спирт, глицерин, серная кислота смешиваются с водой в любых соотношениях, другие, например эфир, растворяется только до опре­деленного предела. С увеличением температуры растворимость жидкого веще­ства, как правило, повышается.

Растворимость газов в воде весьма различна. Растворимость азота, водо­рода, кислорода очень мала (в 1 л воды при t ° =0 °С и давлении 0,1 МПа рас­творимость водорода - 20 мл, кислорода - 40 мл, азота - 21 мл; растворимость аммиака и хлороводорода, наоборот, велика). Растворимость газа в воде зави­сит от природы газа, температуры и давления. При неизменной температуре растворимость газов увеличивается с повышением давления; При неизменном давлении с увеличением температуры растворимость газов уменьшается.

3. Дисперсные системы и их классификация.

Дисперсные системы - такие системы, в которых одно вещество равно­мерно распределено в виде частиц в другом веществе.

В таких системах различают дисперсную среду и дисперсную фазу (раздроб­ленное в дисперсионной среде вещество).

Одной из характеристик дисперсных систем является степень дисперсно­сти, то есть средний размер частиц дисперсной фазы. По степени дисперсности дисперсные системы делятся на:

а) грубодисперсные (средний размер частиц более 100 нм; взвеси);

б) тонко (высоко) дисперсные или коллоидные системы (диаметр частиц
от 1 до 100 нм);

в) истинные растворы (диаметр частиц менее 1 нм)

От степени дисперсности зависят свойства дисперсных систем, их устой­чивость.

Характерным признаком взвесей служит их нестабильность во времени. Они расслаиваются, причем диспергированная фаза выпадает в виде осадка или всплывает в зависимости от соотношения плотностей. Примерами взвесей мо­гут служить туман (жидкость, распределенная в газе - дисперсионная среда га­зообразная; дисперсионная фаза - жидкая); дым (газообразная среда и твердая

фаза); суспензии (жидкая среда и твердая фаза); эмульсии (жидкая среда и жид­кая фаза); пена (жидкая среда и газообразная фаза).

Истинный раствор низкомолекулярного вещества имеет дисперсионную фазу в виде ионов, молекул (растворы натрия хлорида, магния сульфата, глюко­зы).

Истинный раствор высокомолекулярного вещества имеет дисперсионную фазу в виде макромолекул, макроионов (раствор пепсина, желатина).

По происхождению (природе) дисперсионные среды можно классифици­ровать на:

а) природные - неорганические (вода очищенная);
органические (этанол, глицерин, масла, жирные и минеральные);

б) синтетические и полусинтетические - органические (димексид); эле-
ментоорганические (полиорганосилоксановые жидкости).

По размеру (величине) молекул дисперсионные среды могут быть низко­молекулярными (вода, глицерин, этанол) и высокомолекулярными веществами и олигомерами (полиэтиленоксид - 400).

По степени гидрофильности: гидрофильные (вода, глицерин); липофиль-ные (жирные и минеральные масла, хлороформ, эфир); дифильные (этанол, ди­мексид).

По назначению различают: собственно дисперсионные среды (в раство­рах защищенных коллоидов, суспензиях, эмульсиях, сложных микстурах); рас­творители (в истинных растворах низко - и высокомолекулярных веществ); экстрагенты (для получения водных извлечений, экстракционных препаратов разной природы).

К дисперсионным средам предъявляют определенные требования:

а) должны обладать растворяющей способностью или обеспечивать достижение оптимальной дисперсности;

б) не подвергаться микробной контаминации;

в) быть химически индифферентными, биологически безвредными;

г) обладать оптимальными органолептическими свойствами;

д) быть экологически выгодными.

4. Коллоидные растворы и их свойства.

Промежуточное положение по степени дисперсности и свойствам зани­мают коллоидные растворы. В них частицы диспергированного вещества пред­ставляют собой относительно простые агрегаты с размерами, промежуточными между истинными растворами и взвесями.

С этой точки коллоидные растворы можно рассматривать как микрогетеро­генные системы.

Коллоидные растворы иначе называют золями. Размер частиц дисперси­онной фазы от 1 до 100 нм. Золи в зависимости от размеров частиц могут иметь различную окраску. Например, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, вишневыми, рубиново-красными, чего не наблюдается у истинных растворов.

В отличие от истинных растворов для золей характерен эффект Тиндаля -коллоидные частицы рассеивают свет (при пропускании через золь пучка света появляется светлый конус, видимый в затемненном помещении).

Прохождение луча света через коллоидный раствор:

А - источники света

В - линза

С - коллоидный раствор

На основе эффекта Тиндаля устроен ультрамикроскоп.

Основываясь на различной величине частиц коллоидных и истинных растворов, можно разделить их смесь: подбирают пористую перепонку (перга­ментную бумагу, животный пузырь) с таким мелкими порами, через которые коллоидные частицы пройти не могут, а проходят только молекулы и ионы. Та­кой способ освобождения золя от частиц истинного раствора называется диали­зом; прибор -диализатор.

Коллоидные частицы называются мицеллами. Они не проходят через оболочку живой клетки, практически не обладают осмотическим давлением, совершают броуновское движение под действием молекул дисперсионной сре­ды.

Строение мицеллы на примере образования раствора йодида серебра:

AgN0₃ + KJ = AgJ â + KN0₃

разб. разб.

Нерастворимые молекулы йодида серебра образуют ядро коллоидной частицы: [mAgJ]

Ядро адсорбирует на своей поверхности ионы, имеющиеся в растворе, (в данном случае Ag⁺ или J ^-).

Если коллоидный раствор получают при избытке йодида калия, то адсорби­руются ионы йода, достраивают кристаллическую решетку ядра и образуют ад­сорбционный слой и придают ядру отрицательный заряд (m[Ag]nJ ^-). Ионы, ад­сорбирующиеся на поверхности ядра и придающие ему соответствующий за­ряд, называются потенциал определяющими ионами.

В растворе находятся также противоионы (противоположные по знаку ионы К⁺). Они электростатически притягиваются потенциалопределяющими ионами адсорбционного слоя.

Ядро с адсорбционным слоем называется гранулой.

[mAgJ]nJ ^-(n-x)K^{+ x-}

Оставшаяся часть противоионов образует диффузный слой ионов (хК⁺)

X-

[mAgJ]nJ ^-(n-x)K⁺ хК⁺

мицелла

Наличие одноименного заряда у всех гранул данного золя является важ­ным фактором его устойчивости.

Однако частицы дисперсной фазы очень малы, имеют большую удельную поверхность, следовательно, система имеет большой запас свободной поверх­ностной энергии, которая стремиться к уменьшению, что может стать причиной укрупнения (агрегации) частиц, особенно при наличии дестабилизирующих факторов.

При добавлении к золям электролитов происходит уменьшение зарядов гранул, что приводит к слипанию частиц. Соединение коллоидных частиц в бо­лее крупные агрегаты называется коагуляцией. В результате коагуляции части­цы могут или выпасть в осадок под влиянием силы тяжести (этот процесс назы­вается седиментацией) или образовать полутвердую упругую массу (гель или студень).

Коагуляцию проводят прибавлением к золю электролита (заряды колло­идных частиц нейтрализуются и золи, содержащие положительно заряженные частицы коагулируют под действием анионов, а золи, содержащие отрицатель­но заряженные частицы - под действием катионов); прибавлением другого зо­ля, частицы которого имеют противоположительный заряд (заряды частиц ней­трализуются, происходит взаимная коагуляция); проводят нагреванием (нагре­вание уменьшает адсорбцию ионов коллоидными частицами, уменьшая их за­ряд, что способствует коагуляции).

Если вокруг коллоидной частицы имеется оболочка, состоящая из моле­кул дисперсионной среды, такие растворы называют лиофильными (любящими жидкость). Если дисперсионной средой является вода, т.е. называют гидро­фильными. Если коллоидная частица не имеет сродства к дисперсионной среде, то коллоидные растворы называют лиофобными или гидрофобными (не любя­щими воду). Гидрофобные коллоиды легко коагулируют.

Австрийский химик Р.Зигмонди (1865-1929) установил, что лиофобный коллоид в смеси с раствором лиофильного коллоида более стоек. Это явление названо коллоидной защитой.

По сравнению с суспензиями и эмульсиями устойчивость коллоидных растворов, применяемых в медицине, повышают за счет коллоидной.защиты. Защитный слой (например, белок) обеспечивает сольвацию (гидратацию) час­тиц. Благодаря защите гидрофобных коллоидов путем адсорбции макромолекул ВМВ, они приобретают способность самопроизвольно растворяться и агрега-тивную устойчивость - способность частиц дисперсной фазе противостоять слипанию, т.е. агрегации.

Большой размер и наличие белковой защитной оболочки приближает свойства растворов защищенных коллоидов к растворам ВМВ.

Процесс, обратный коагуляции, называется пептизацией. Он наблюдается при промывании осадков водой. При этом ионы электролита - коагулянта вы­мываются, частицы осадка снова преобразуют заряды и переходят в состояние золя. Пептизации легко подвергаются осадки сульфидов.

Значение золей очень велико, они боле распространены, чем истинные растворы. Протоплазма живых клеток, кровь, соки растений - все это коллоид­ные растворы. Коллоидные растворы широко применяются в различных техно­логических процессах: в мыловаренной, бумажной, текстильной промышлен­ности, в фармацевтическом производстве.

В аптечной практике коллоидные растворы применяют ограниченно, что в значительной степени связано с их нестабильностью. В таких растворах са­мопроизвольно может происходить коагуляция (слипание частиц), которая про­текает, как правило, в две стадии: скрытая и явная. Коагуляция может быть вы­звана добавлением электролитов, веществ, вызывающих дегидратацию (водо-отнимающих веществ: спиртов, сиропов и др.), изменением температуры, меха­ническим воздействием, светом, электрическим током, изменением состава дисперсионной среды и другими факторами.

Практическое применение в аптечной практике нашли растворы защи­щенных коллоидов (колларгола, протаргола, провиаргола, ихтиола), дубильных веществ (танина, этакридина лактата, экстрактов). Коллоидная дисперсия мо­жет иметь место и при получении водных извлечений.

Коллоидную защиту применяют при получении в промышленности пре­паратов серебра: протаргола и колларгола. В этих препаратах серебро находит­ся в неионизированном состоянии.

Протаргол (Protargolum) — коллоидный препарат оксида серебра (содер­жание серебра 8—9 %).

Колларгол (Collargolum. Argentum colloidale) содержит не менее 70 % се­ребра.

Типичным защищенным коллоидом природного происхождения является ихтиол, представляющий собой смесь сульфидов, сульфатов и сульфонатов. получаемых из продуктов сухой перегонки битуминозных сланцев (аммониевая соль сульфокислот сланцевого масла). Ихтиол - сиропообразная жидкость, рас­творимая в воде и частично в этаноле.

Принцип защиты коллоидов заключается в сочетании коллоидно-раздробленного вещества (по своей природе гидрофобного) с высокомолеку­лярными веществами (гидрофильными). Стабилизирующее действие в раство-

pax колларгола и протаргола оказывают натриевые соли продуктов гидролиза яичного белка, в растворе ихтиола - природные ПАВ.

Растворы колларгола и протаргола применяют в качестве вяжущих, анти­септических, противовоспалительных средств местного действия смазывания слизистой оболочки верхних дыхательных путей, промывания мочевого пузы­ря, гнойных ран, в офтальмологии.

5.Классификация способов выражения количественного состава растворов.

Для качественной характеристики растворов используют понятия «раз­бавленный раствор» и «концентрированный раствор». При работе с растворами необходимо знать их количественный состав. Количественный состав раствора выражается концентрацией.

Концентрация-это величина, характеризующая относительное содержа­ние данного компонента в смеси или растворе.

В практической деятельности используют различные способы выражения концентраций. Понятие концентрации в медицине распространяется не только на растворы, но и на биологические жидкости, на клетки и ткани, которые можно рассматривать как сложные смеси веществ. Живой организм поддержи­вает постоянные концентрации метаболитов - это одно из проявлений гомео-стаза. Отклонение концентрации веществ в биологических жидкостях и тканях от нормы служит важным показателем состояния организма, признаком раз­личных заболеваний. Изучая результаты клинических анализов, необходимо применять всесторонние знания способов выражения концентраций. При изго­товлении лекарственных препаратов и их дозировке знание концентраций явля­ется абсолютно необходимым. На измерении концентраций основана количест­венная характеристика компонентов окружающей среды, санитарный контроль за состоянием окружающей среды.

Количественный состав растворов может выражаться различными спосо­бами. Некоторые из них требуют высокой точности приготовления и называют­ся растворами с аналитическими концентрациями. Такие растворы готовятся с использованием точных расчетов, аналитических весов, специальной мерной посуды. Растворы, которые не требуют специальных, высокоточных посуды и оборудования относятся к техническим способам выражения концентрации.

К техническим способам выражения концентрации растворов, применяе­мых в биологии, медицине, фармации, относятся:

A) массовая процентная концентрация Б) объемная процентная концентрация;

B) массо -. объемная процентная концентрация.

Г) к аналитическим способам выражения концентраций растворов относятся:

Д) молярная концентрация;

Е) молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация);

Д) титр раствора.

Растворы технических и аналитических концентраций требуют разной техники приготовления.

Концентрацией раствора называется массовое содержание растворенного вещества в определенном массовом количестве или определенном объеме рас­твора.

6.Массовая процентная концентрация (массовая доля растворенного вещества).

Массовой долей растворенного вещества называется отношение массы раство­ренного вещества к массе раствора:

W= m_р.в./ m_р.ра.

где W-массовая доля растворенного вещества, выраженная в долях единицы;

m р._в. - масса растворенного вещества, г ;

m _р.р - масса раствора, г.

Массовую долю можно выражать также в процентах:

W= m_р.в./m_рра ∙ 100%

Массовую долю растворенного вещества, выраженную в процентах, называют процентной концентрацией раствора.

Пример: в водном растворе хлорида натрия NaCL его массовая доля рав­на 10% или 0,1.Это значит, что в растворе массой 100 г содержится 10 г хлори­да натрия и 90 г воды.

Массу раствора можно рассчитать по формулам:

m _{р - ра} ⁼ m растворителя + m растворенного вещества;

m _{р - ра} ⁼ r ^. V, где V - объем раствора; мл;

р - плотность раствора г/мл;

Алгоритм приготовления раствора с заданной процентной концентраци­ей:

1.Рассчитать массы растворенного вещества и растворителя по соответствую­щим формулам.

2.Взвесить навеску растворяемого вещества на технохимических весах: 3.Высыпать навеску в стакан.

4.Измерить мерным цилиндром необходимый объем дистиллированной воды. 5.Вылить воду в химический стакан с растворяемым веществом. б.Перемешать раствор стеклянной палочкой до полного растворения вещества.

Типовая задача № 1

В растворе массой 100 г содержится хлорид бария массой 20 г. Какова
массовая доля хлорида бария в растворе?

Дано: Решение:

m (р-ра) =100 г Массовая доля ВаСl₂ равна отношению его массы к

m (BaCl₂)=20 г к общей массе раствора:

Найти: W% (BaCl₂) w% (ВаСl₂) = m(BaCl₂) = 20 ₌ 0,2.

m (р-ра) 100 г

Ответ: w% (ВаСl₂) = 0,2 , или 20%.

Типовая задача № 2.

Сахар массой 5 г. растворили в воде массой 20 г. Какова массовая доля (%) са­хара в растворе?

Решение:

1.Определим общую массу полученного раствора:

m(р-ра) =m(воды) + m(сахара);

m(р-ра) = 20 г + 5 г = 25 г.

m(р-ра) = 20 г + 5 г = 25 г.

2.Вычислим массовую долю (%) сахара в растворе:

W% (сахара) = m(сахара) . 100%

m(р-ра)

W% (сахара) = 5 ^.100% = 20%

25 г

Ответ: w % (сахара) = 20%.

Типовая задача № 3.

Какие массы нитрата калия и воды необходимо взять для приготовления 2 кг раствора с кассовой долей KN0₃, равной 0,05?

Решение:

1. Определим массу нитрата калия:

W(KNOO=m(KNO_I) ^. m(p- pa)

m(KN0₃)= w(KN0₃) ^. m(p-pa)

m(KNO₃)=0,05 ^. 2000 r. = 100 r.

Найти: 2.Определим массу воды:

W%(сахара) m(p-pa) = m(H₂0) + m(KN0₃);

m(H₂0) = m(p-pa) - m(KN0₃);

m(H₂0) =2000 r-100 г=1900 г

Ответ: m(KN0₃) = 100 г; m(H₂0)=1900r

Типовая задача № 4.

Какие массы кристаллогидрата сульфата натрия Na₂S0₄ • 10Н₂О и воды надо взять, чтобы получить раствор массой 71 г с массовой долей Na₂S0₄ 20% ?

Дано: m (р-ра) = 71 г W%(Na2S04) = 20%,

Решение:

1.Вычислим массу Na₂S04, необходимую для приготов­ления 71 г раствора:

W%(Na7S0₄) = m(Na₂SQ4) . 100%

m(p-pa)

m (Na₂so₄); = m(p-pa) . W;

100%

m Na₂SO₄)=71г ^. 20%= 14,2 г

100%

2. Вычислим массу кристаллогидрата Na₂S0₄ • 10H₂O,
необходимого для приготовления раствора

М (Na₂S0₄ • 10Н₂О) = 322 г/моль;

M(Na₂S0₄) = 142 г/моль;

322 г NaS0₄ • 10Н₂О содержит 142 г. Nag₂S0₄;

m г Na₂S0₄ • 10Н₂О содержит 14,2 г. Na₂S0₄;

m Na₂S0₄ - 10H₂O ) -322 г ^. 14,2 г = 32,2 г

100 г

3. Вычислим массу воды:

m (р-ра) = m(H₂0) + m(Na₂S0₄ • 10Н₂О);

m (Н₂0) = m(р-ра) - m(Na₂ S0₄ • 10Н₂О);

m(Н₂0) = 71 г - 32,2 г = 38,8 г/

Ответ: Для приготовления 71 г раствора, где w% (Na₂S0₄) = 20%,надо взять 32,2 г. NaS0₄ • 10Н₂О и 38,8 г Н₂0.

Типовая задача № 5

При выпаривании 500 г 10%-го раствора сульфата лития получили раствор мас­сой 200 г. Какова процентная концентрация полученного раствора?

Дано:

m₁ (р-ра) =500 г;

W₂ (Li₂SO₄)=10%

m₂(p-pa)=200 г.

Найти: W₂% (Li₂S0₄)

Решение:

1.Определим массу Li₂S0₄ в исходном растворе:

W%(Li₂S0₄) = m(Li₂SQ4) . 100%;

m(p-pa)

m(Li₂S0₄) = W%(Li₂SQ4) ^. m ₁(p-pa);

100%

m(Li₂S0₄) = 10%500г = 50 r.

100%

Типовая задача № 6

К 250 г 10%-ного раствора глюкозы прилили 150 мл воды. Какова массо-

вая доля (%) глюкозы в полученном после разбавления растворе?

Дано:

m(р-ра) =250 г

W₁% (глюкозы) =

= 10%; V(Н₂О)=150мл.

Найти:

W₂% (глюкозы)

в полученном после разбавления растворе?

Решение:

1.Определим массу глюкозы в исходном растворе:

W% = m( глюкозы). 100%

m₁(p-pa)

m₁( глюкозы) = m(p-pa) w₁= 250 ^. 0,1=25 г

100%

2.Macca глюкозы при разбавлении раствора не изменя­ется. Определим массу раствора, полученного после разбавления:

m₂ (р-ра) = m₁ (р-ра) + m (Н₂0);

m (Н₂0) = V ^. р = 150 мл ^. 1 г/мл = 150 г;

m₂ (р-ра) = 250 г + 150 г = 400 г.

3. Определим W₂% (глюкозы):

W₂%(глюкозы) = m( глюкозы) . 100% = 25 г ^. 100% =6,25%

m₂(р-ра) 400 г

Ответ: w₂% (глюкозы) = 6,25%.

Типовая задача № 7.

В 200 г воды растворили 67,2 л газообразного хлороводорода НС1(н. у.). Определить массовую долю хлороводорода в полученном растворе.

Дано:

m (Н₂0) = 200 г. V ( HCI) = 67,2 л

Найти

W% (HCI)

Решение:

1. Определим количество вещества НСl:

n = V/V_M;

n ( HCI) = 67,2 л/22,4 л/моль = 3 моль

2. Определим массу HCI:

m( HCI) = M_r (HCI) ^. n ( HCI) = 36,5 г/моль ^. 3 моль =

109,5 г

3. Определим массу раствора:

m(р-ра) = m(Н₂0) + m( HCI) = 200 г + 109,5 г = 309,5 г

4. Определим массовую долю HCI в растворе:

W( HCI) = m(HCl) ^. 100% = 109,5 г ^. 100% = 35,38%
m(p-pa) 309,5 г

Ответ: W% ( HCI) = 35,38%.

Чтобы определить, в каком соотношении следует смешивать растворы, со­держащие разные массовые доли одного и того же растворенного вещества, для получения раствора с заданной массовой долей этого вещества, можно приме­нять правило смешивания или диагональную схему

Пример: в каком массовом соотношении следует смешивать 40% и 15% раство­ры, чтобы получить 35% раствор.

В центре пишем требуемую массовую долю (35). У левого конца каждой диагонали пишем исходные массовые доли (40; 15). Затем по диагонали произ­водим вычитание (вычитают всегда из большей величины меньшую):