Растворы. Растворы Кислород и углекислый газ
3. Углеводороды
УГЛЕВОДОРОДЫ, органические соединения, молекулы которых состоят только из атомов углерода и водорода.
Простейший представитель - метан СН 4 . Углеводороды являются родоначальниками всех других органических соединений, огромное разнообразие которых может быть получено введением функциональных групп в молекулу углеводорода; поэтому органическую химию часто определяют как химию углеводородов и их производных.
Углеводороды в зависимости от молекулярной массы могут быть газообразными, жидкими или твёрдыми (но пластичными) веществами. Соединения, содержащие в молекуле до четырёх атомов углерода, в обычных условиях - газы, например метан, этан, пропан, бутан, изобутан; эти углеводороды входят в состав горючего природного и попутного нефтяного газов. Жидкие углеводороды входят в состав нефти и нефтепродуктов; они, как правило, содержат до шестнадцати атомов углерода. В состав некоторых восков, парафина, асфальтов, битума, гудрона входят ещё более тяжёлые углеводороды; так, в состав парафина входят твёрдые углеводороды, содержащие от 16 до 30 атомов углерода.
Углеводороды делятся на соединения с открытой цепью - алифатические, или нециклические, соединения с замкнутой циклической структурой - алициклические (не обладают свойством ароматичности) и ароматические (в их молекулах имеется бензольное кольцо или фрагменты, построенные из конденсированных бензольных колец). Ароматические углеводороды выделяют в отдельный класс, поскольку из-за наличия замкнутой сопряжённой системы гс-свя-зей они обладают специфическими свойствами.
Нециклические углеводороды могут иметь не-разветвленную цепь углеродных атомов (молекулы нормального строения) и разветвлённую (молекулы изостроения), В зависимости от типа связей между атомами углерода как алифатические, так и циклические углеводороды делятся на насыщенные, содержащие только простые связи (алканы, циклоалканы), и ненасыщенные, содержащие наряду с простыми кратные связи (алкены, циклоалкены, диены, алкины, цикло-алкины).
Классификация углеводородов отражена на схеме (см. стр. 590), где даны также примеры структур представителей каждого класса углеводородов.
Углеводороды незаменимы в качестве источника энергии, поскольку основное общее свойство всех этих соединений - выделение значительного количества теплоты при горении (например, теплота сгорания метана составляет 890 кДж/моль). Смеси углеводородов используют как топливо на тепловых станциях и в котельных (природный газ, мазут, котельное топливо), как топливо для двигателей автомобилей, самолётов и других транспортных средств (бензин, керосин и дизельное топливо). При полном сгорании углеводородов образуются вода и углекислый газ.
По реакционной способности различные классы углеводородов сильно отличаются друг от друга: насыщенные соединения относительно инертны, для ненасыщенных характерны реакции присоединения по кратным связям, для ароматических соединений - реакции замещения (например, нитрование, сульфирование).
Углеводороды используют как исходные и промежуточные продукты в органическом синтезе. В химической и нефтехимической промышленности применяют не только углеводороды природного происхождения, но и синтетические. Способы получения последних основаны на переработке природного газа (производство и использование синтез-газа - смеси СО и Н2), нефти (крекинг), каменного угля (гидрогенизация), а в последнее время и биомассы, в частности отходов сельского хозяйства, переработки древесины и других производств.
3.1 Предельный углеводороды. Алканы CnH3n+2
Особенности химического строения
Основные физические и химические свойства:
СН4 газ без цвета и запаха, легче воздуха, нерастворим в воде
С-С4 – газ;
С5-С16- жидкость;
С16 и больше – твердое вещество
Примеры углеводородов, используемых в косметологии, их состав и свойства (парафин, вазелин).
В косметике углеводороды используют для создания пленки, обеспечивающей скользящий эффект (например, в массажных кремах), и в качестве структурообразующих компонентов различных препаратов.
Газообразные углеводороды
Метон и этан являются составными частями природного газа. Пропан и бутан (в сжиженном виде) - горючее для транспорта.
Жидкие углеводороды
Бензин. Прозрачная, воспламеняющаяся жидкость с типичным запахом, легко растворимая в органических растворителях (спирте, эфире, четыреххлористом углероде). Смесь бензина и воздуха - сильное взрывчатое вещество. Специальный бензин иногда применяют для обезжиривания и очистки кожи, например, от остатков пластыря.
Вазелиновое масло. Жидкий, вязкий углеводород с высокой точкой кипения и низкой вязкостью. В косметике применяется как масло для волос, масло для кожи, входит в состав кремов. Парафиновое масло. Прозрачное, бесцветное, не имеет ни цвета, ни запаха, густое, маслянистое вещество, высокой вязкости, нерастворимое в воде, почти нерастворимое в этаноле, растворимое в эфире и других органических растворителях. Твердые углеводороды
Парафин. Смесь твердых углеводородов, получаемая при дистилляции парафиновой фракции нефти. Парафин представляет собой кристаллическую массу со специфическим запахом и нейтральной реакцией. Парафин применяется в термотерапии. Расплавленный парафин, обладающий высокой теплоемкостью, медленно остывает и, постепенно отдавая тепло, длительно поддерживает равномерное согревание тела. Остывая, парафин переходит из жидкого состояния в твердое и, уменьшаясь в объеме, сдавливает подлежащие ткани. Препятствуя гиперемии поверхностных сосудов, расплавленный парафин повышает температуру тканей и резко усиливает потоотделение. Показаниями к парафинотерапии являются себорея кожи лица, угревая сыпь, особенно индуративные угри, инфильтрированная хроническая экзема. Целесообразно после парафиновой маски назначать чистку кожи лица.
Церезин. Смесь углеводородов, получаемая при переработке озокерита. Применяется в декоративной косметике в качестве загустителя, так кок хорошо смешивается с жирами.
Вазелин – смесь углеводородов. Является хорошей основой для мазей, не разлагает лекарственные вещества, входящие в их состав, смешивается с маслами и жирами в любых количествах. Все углеводороды не омыляются, не могут проникать непосредственно через кожу, поэтому используются в косметике как поверхностное защитное средство. Все жидкие, полутвердые и твердые углеводороды не прогоркают (не подвергаются воздействию микроорганизмов).
Рассмотренные углеводороды называются ацикличными. Им противопоставляют цикличные (имеющие в составе молекулы бензольное кольцо) углеводороды, которые получают при перегонке каменноугольной смолы - бензол (растворитель), нафталин, который раньше применялся кок средство против моли, антрацен и другие вещества.
3.2 Непредельные углеводороды
Алкены (этиленовые углеводороды) – непредельные углеводороды, в молекулах которых имеется одна двойная связь
Особенности химического строения
С 2 H 4 этилен – бесцветный газ со слабым сладковатым запахом, легче воздуха, мало растворим в воде.
Принципы составления названия углеводородов:
Углеводороды, содержащие двойную связь, оканчиваются на –ен.
Этан С 2 H 6 этен С 2 H 4
3.3 Циклические и ароматические углеводороды, принципы химического строения, примеры
Арены (ароматические углеводороды), молекулы которых содержат устойчивые циклические структуры – бензольные ядра, с особым характером связей.
В молекуле бензола нет одинарных (С - О и двойных (С = С) связей. Все связи равноценны, их длины равны, Это особый вид связи - круговое р-сопряжение.
Гибридизация - ;s р 2 Валентный угол -120°
Шесть негибридных связей образуют единую -электронную систему (ароматическое ядро), которое располагается перпендикулярно плоскости бензольного кольца.
Химические свойства:
Бензол занимает промежуточное положение между предельными и непредельными углеводородами, т.к. вступает в реакцию замещения (протекает легко) и присоединения (протекает трудно).
Азулен. Это циклический углеводород, получаемый синтетическим путем (природный аналог хамазулен получают из цветков ромашки и тысячелистника). Азулен обладает противоаллергическими и противовоспалительными свойствами, снимает спазм гладкой"мускулатуры, ускоряет процессы регенерации и заживления тканей. Применяется в косметике в концентрированном виде (жидкость темно-синего цвета) и в виде 25%-ного раствора в составе детских кремов, зубной пасты и декоративных средств, а также в смолах для биомеханической депиляции.
4. Спирты
4.1 Определение
Спирты - это органические соединения, в которых один атом водорода (Н) заменен на гидроксильную группу (ОН).
4.2 Функциональные группы. Классификация спиртов на одноатомные и многоатомные спирты, примеры. Принципы составления названия спиртов
В соответствии с количеством ОН-групп различают одно- и многоатомные спирты.
В зависимости от расположения ОН-группы спирты делятся на первичные, вторичные и третичные. В отличие от парафин-углеводородов они имеют относительно высокую точку кипения. Все многоатомные спирты обладают сладковатым привкусом.
Спирты с короткими цепочками гидрофильны, т.е. смешиваются с водой и хорошо растворяют гидрофильные вещества, Одноатомные спирты с длинными цепочками почти или совершенно не растворяются в воде, т.е. гидрофобны.
Спирты с большой массой молекул (жирные спирты) при комнатной температуре твердые (например, миристиловый или цетиловый спирт). Спирт, содержащий более 24 атомов углерода, называют вощеным спиртом.
С увеличением числа гидроксильных групп усиливаются сладкий привкус и растворимость спирта в воде. Поэтому глицерин (3-атомный спирт), похожий на масло, хорошо растворяется в воде. Твердый 6-атомный спирт сорбит используется как заменитель сахара для диабетических больных.
4.3 Основные химические и физические свойства спиртов, их применение в косметологии (метанол, этанол, изопропанол, глицерин)
Одноатомные спирты
Метанол (метиловый спирт, древесный спирт) - прозрачная, бесцветная жидкость, легко смешиваемая с водой, спиртом и эфиром. Это крайне ядовитое вещество в косметике не применяется.
Этанол (этиловый спирт, винный спирт, спирт пищевой) - прозрачная, бесцветная, летучая жидкость, может смешиваться с водой и органическими растворителями, значительно менее ядовит, чем метанол, широко применяется в медицине и косметике в качестве растворителя для биологически активных веществ (эфирных масел, смол, йода и т.д.). Получают этанол в результате брожения веществ, содержащих сахар и крахмал. Процесс брожения происходит за счет ферментов дрожжей. После брожения спирт выделяют путем перегонки. Затем производится очистка от нежелательных веществ-примесей (ректификация). Этанол поступает в аптеки в основном крепостью 96°. Другие смеси этанола с водой содержат 90, 80, 70, 40% спирта. Почти чистый спирт (с очень незначительными примесями воды) называют абсолютным спиртом.
В зависимости от цели применения спирта его ароматизируют различными добавками (эфирными маслами, камфорой). Этанол способствует расширению подкожных капилляров, обладает дезинфицирующим действием.
Туалетная вода для лица может содержать от 0 до 30% спирта, лосьон для волос - около 50%, одеколон - не менее 70%. В состав лавандовой воды входит около 3% эфирного масла. Духи содержат от 12 до 20% эфирных масел и фиксатор, одеколоны - около 9% эфирных масел и немного фиксатора. Изопропанол (изопропиловый спирт) - полноценный и недорогой заменитель этанола, относится к вторичным спиртам. Даже очищенный изопропиловый спирт имеет характерный запах, который не поддается устранению. Дезинфицирующие и обезжиривающие свойства изопропанола сильнее, чем у этилового спирта. Он применяется только наружно, в составе туалетной воды для волос, в фиксаторах и т.п. Водка не должна содержать изопропанол, а в спиртовой настойке на хвойных иголках (хвойный концентрат) допускается его незначительное количество.
Многоатомные спирты
Двухатомные спирты имеют стандартное окончание названия - гликоль. В косметических препаратах в качестве растворителя и увлажнителя применяют пропиленгликоль, обладающий невысокой токсичностью. Двухатомные спирты, или гликоли, по заместительной номенклатуре называют диолами. Трехатомный спирт - глицерин - широко используется в медицине и фарма-цее. По консистенции глицерин похож на сироп, почти без запаха, гигроскопичен, имеет сладкий привкус, растворим во всех других веществах, содержащих ОН-группу, нерастворим в эфире, бензине, хлороформе, в жирных и эфирных маслах. В торговлю поступает 86 - 88%-ный глицерин и обезвоженный 98%-ный глицерин. В разбавленном виде глицерин входит в состав кремов для кожи, туалетной воды для лица, зубных паст, мыла для бритья, геля для рук. Разбавленный в соответствующей пропорции, он смягчает кожу, делает ее эластичной, заменяя естественный фактор влажности кожи. В чистом виде в препаратах для ухода за кожей не применяется, поскольку пересушивает ее. и здоровье человека органической химии АН СССР, одним из организаторов... к нескольким областям органической химии - химии алициклических соединений, химии гетероциклов, органическому катализу, химии белка и аминокислот. ...
Эффекты ионной ассоциации в органической химии
Реферат >> ХимияСтереохимическую направленность процесса. В органической химии интерес к ионным парам возник... самых ярких достижений физической органической химии . Исследования реакций, в... пор концепция ионных пар в органической химии претерпела значительные изменения; были...
Однако иногда бывает трудно провести грань между физическим перемешиванием веществ и их химическим взаимодействием. Например, при смешивании газообразного хлороводорода HCl с водой
H 2 O образуются ионы H 3 O + и Cl - . Они притягивают к себе соседние молекулы воды, образуя гидраты. Таким образом, исходные компоненты - HCl и H 2 O - после смешивания претерпевают существенные изменения. Тем не менее ионизация и гидратация (в общем случае - сольватация) рассматриваются как физические процессы, происходящие при образовании растворов.Одним из важнейших типов смесей, представляющих собой гомогенную фазу, являются коллоидные растворы: гели, золи, эмульсии и аэрозоли. Размер частиц в коллоидных растворах составляет 1-1000 нм, в истинных растворах
~ 0,1 нм (порядка размера молекул). Основные понятия . Два вещества, растворяющиеся друг в друге в любых пропорциях с образованием истинных растворов, называют полностью взаиморастворимыми. Такими веществами являются все газы, многие жидкости (например, этиловый спирт - вода, глицерин - вода, бензол - бензин), некоторые твердые вещества (например, серебро - золото). Для получения твердых растворов необходимо сначала расплавить исходные вещества, затем смешать их и дать затвердеть. При их полной взаиморастворимости образуется одна твердая фаза; если же растворимость частичная, то в образовавшемся твердом веществе сохраняются мелкие кристаллы одного из исходных компонентов.Если два компонента образуют одну фазу при смешивании только в определенных пропорциях, а в других случаях возникают две фазы, то они называются частично взаиморастворимыми. Таковы, например, вода и бензол: истинные растворы получаются из них только при добавлении незначительного количества воды к большому объему бензола или незначительного количества бензола к большому объему воды. Если же смешать равные количества воды и бензола, то образуется двухфазная жидкая система. Нижний ее слой - это вода с небольшим количеством бензола, а верхний
- бензол с малой примесью воды. Известны также вещества, совсем не растворяющиеся одно в другом, например, вода и ртуть. Если два вещества лишь частично взаиморастворимы, то при данных температуре и давлении существует предельное количество одного вещества, которое способно образовать истинный раствор с другим в равновесных условиях. Раствор с предельной концентрацией растворенного вещества называют насыщенным. Можно приготовить и так называемый пересыщенный раствор, в котором концентрация растворенного вещества даже больше, чем в насыщенном. Однако пересыщенные растворы неустойчивы, и при малейшем изменении условий, например при перемешивании, попадании частичек пыли или добавлении кристалликов растворяемого вещества, избыток растворенного вещества выпадает в осадок.Всякая жидкость начинает кипеть при той температуре, при которой давление ее насыщенного пара достигает величины внешнего давления. Например, вода под давлением 101,3 кПа кипит при 100
° С потому, что при этой температуре давление водяного пара как раз равно 101,3 кПа. Если же растворить в воде какое-нибудь нелетучее вещество, то давление ее пара понизится. Чтобы довести давление пара полученного раствора до 101,3 кПа, нужно нагреть раствор выше 100 ° С. Отсюда следует, что температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя. Аналогично объясняется и понижение температуры замерзания растворов. Закон Рауля . В 1887 французский физик Ф.Рауль, изучая растворы различных нелетучих жидкостей и твердых веществ, установил закон, связывающий понижение давления пара над разбавленными растворами неэлектролитов с концентрацией: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле растворенного вещества. Из закона Рауля следует, что повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания разбавленного раствора по сравнению с чистым растворителем пропорционально молярной концентрации (или мольной доле) растворенного вещества и может быть использовано для определения его молекулярной массы.Раствор, поведение которого подчиняется закону Рауля, называется идеальным. Наиболее близки к идеальным растворы неполярных газов и жидкостей (молекулы которых не меняют ориентации в электрическом поле). В этом случае теплота растворения равна нулю, а свойства растворов можно прямо предсказать, зная свойства исходных компонентов и пропорции, в которых они смешиваются. Для реальных растворов сделать такое предсказание нельзя. При образовании реальных растворов обычно выделяется или поглощается тепло. Процессы с выделением тепла называются экзотермическими, а с поглощением - эндотермическими.
Те характеристики раствора, которые зависят в основном от его концентрации (числа молекул растворенного вещества на единицу объема или массы растворителя), а не от природы растворенного вещества, называют
коллигативными . Например, температура кипения чистой воды при нормальном атмосферном давлении равна 100 ° С, а температура кипения раствора, содержащего 1 моль растворенного (недиссоциирующего) вещества в 1000 г воды, составляет уже 100,52 ° С независимо от природы этого вещества. Если же вещество диссоциирует, образуя ионы, то температура кипения увеличивается пропорционально росту общего числа частиц растворенного вещества, которое благодаря диссоциации превышает число молекул вещества, добавленных в раствор. Другими важными коллигативными величинами являются температура замерзания раствора, осмотическое давление и парциальное давление паров растворителя. Концентрация раствора - это величина, отражающая пропорции между растворенным веществом и растворителем. Такие качественные понятия, как «разбавленный» и «концентрированный», говорят только о том, что раствор содержит мало или много растворенного вещества. Для количественного выражения концентрации растворов часто используют проценты (массовые или объемные), а в научной литературе - число молей или химических эквивалентов (см . ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА) растворенного вещества на единицу массы или объема растворителя либо раствора. Чтобы не возникало путаницы, следует всегда точно указывать единицы измерения концентрации. Рассмотрим следующий пример. Раствор, состоящий из 90 г воды (ее объем равен 90 мл, поскольку плотность воды равна 1г/мл) и 10 г этилового спирта (его объем равен 12,6 мл, поскольку плотность спирта равна 0,794 г/мл), имеет массу 100 г, но объем этого раствора равен 101,6 мл (а был бы равен 102,6 мл, если бы при смешивании воды и спирта их объемы просто складывались). Процентную концентрацию раствора можно рассчитать по-разному: или
Наиболее распространенная единица - молярность, но при ее расчете следует учитывать некоторые неоднозначности. Например, чтобы получить 1M раствор данного вещества, растворяют в заведомо небольшом количестве воды точную его навеску, равную мол. массе в граммах, и доводят объем раствора до 1 л. Количество воды, необходимое для приготовления данного раствора, может слегка различаться в зависимости от температуры и давления. Поэтому два одномолярных раствора, приготовленных в разных условиях, в действительности имеют не совсем одинаковые концентрации. Моляльность вычисляется исходя из определенной массы растворителя (1000 г), которая не зависит от температуры и давления. В лабораторной практике гораздо удобнее отмеривать определенные объемы жидкостей (для этого существуют бюретки, пипетки, мерные колбы), чем взвешивать их, поэтому в научной литературе концентрации чаще выражают в молях, а моляльность обычно применяют только при особо точных измерениях.
Нормальность используется для упрощения расчетов. Как мы уже говорили, вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, соответствующих их эквивалентам. Приготовив растворы разных веществ одинаковой нормальности и взяв равные их объемы, мы можем быть уверены в том, что они содержат одно и то же количество эквивалентов.
В тех случаях, когда трудно (или нет необходимости) делать различие между растворителем и растворенным веществом, концентрацию измеряют в мольных долях. Мольные доли, как и моляльности, не зависят от температуры и давления.
Зная плотности растворенного вещества и раствора, можно пересчитать одну концентрацию в другую: молярность в моляльность, мольную долю и наоборот. Для разбавленных растворов данного растворенного вещества и растворителя эти три величины пропорциональны друг другу.
Растворимость данного вещества - это его способность образовывать растворы с другими веществами. Количественно растворимость газа, жидкости или твердого тела измеряется концентрацией их насыщенного раствора при данной температуре. Это важная характеристика вещества, помогающая понять его природу, а также влиять на ход реакций, в которых это вещество участвует. Газы . В отсутствие химического взаимодействия газы смешиваются друг с другом в любых пропорциях, и в этом случае говорить о насыщении нет смысла. Однако при растворении газа в жидкости существует некая предельная концентрация, зависящая от давления и температуры. Растворимость газов в некоторых жидкостях коррелирует с их способностью к сжижению. Наиболее легко сжижаемые газы, например NH 3 , HCl, SO 2 , более растворимы, чем трудно сжижаемые газы, например O 2 , H 2 и He. При наличии химического взаимодействия между растворителем и газом (например, между водой и NH 3 или HCl) растворимость увеличивается. Растворимость данного газа изменяется с природой растворителя, однако порядок, в котором располагаются газы в соответствии с увеличением их растворимости, остается примерно одинаковым для разных растворителей.Процесс растворения подчиняется принципу Ле Шателье (1884): если на систему, находящуюся в равновесии, оказывается какое-либо воздействие, то в результате протекающих в ней процессов равновесие сместится в таком направлении, что оказанное воздействие уменьшится. Растворение газов в жидкостях обычно сопровождается выделением тепла. При этом, в соответствии с принципом Ле Шателье, растворимость газов уменьшается. Это уменьшение тем заметнее, чем выше растворимость газов: такие газы имеют и б
льшую теплоту растворения. «Мягкий» вкус кипяченой или дистиллированной воды объясняется отсутствием в ней воздуха, поскольку его растворимость при высокой температуре весьма мала.С ростом давления растворимость газов увеличивается. Согласно закону Генри (1803), масса газа, который может раствориться в данном объеме жидкости при постоянной температуре, пропорциональна его давлению. Это свойство используется для приготовления газированных напитков. Углекислый газ растворяют в жидкости при давлении 3-4 атм.; в этих условиях в данном объеме может раствориться в 3-4 раза больше газа (по массе), чем при 1 атм. Когда емкость с такой жидкостью открывают, давление в ней падает, и часть растворенного газа выделяется в виде пузырьков. Аналогичный эффект наблюдается при открывании бутылки шампанского или выходе на поверхность подземных вод, насыщенных на большой глубине углекислым газом.
При растворении в одной жидкости смеси газов растворимость каждого из них остается такой же, как и в отсутствие других компонентов при таком же давлении, как в случае смеси (закон Дальтона).
Жидкости. Взаимная растворимость двух жидкостей определяется тем, насколько сходно строение их молекул («подобное растворяется в подобном»). Для неполярных жидкостей, например углеводородов, характерны слабые межмолекулярные взаимодействия, поэтому молекулы одной жидкости легко проникают между молекулами другой, т.е. жидкости хорошо смешиваются. Напротив, полярные и неполярные жидкости, например вода и углеводороды, смешиваются друг с другом плохо. Каждой молекуле воды нужно сначала вырваться из окружения других таких же молекул, сильно притягивающими ее к себе, и проникнуть между молекулами углеводорода, притягивающими ее слабо. И наоборот, молекулы углеводорода, чтобы раствориться в воде, должны протиснуться между молекулами воды, преодолевая их сильное взаимное притяжение, а для этого нужна энергия. При повышении температуры кинетическая энергия молекул возрастает, межмолекулярное взаимодействие ослабевает и растворимость воды и углеводородов увеличивается. При значительном повышении температуры можно добиться их полной взаимной растворимости. Такую температуру называют верхней критической температурой растворения (ВКТР).В некоторых случаях взаимная растворимость двух частично смешивающихся жидкостей увеличивается при понижении температуры. Этот эффект наблюдается в том случае, когда при смешивании выделяется тепло, обычно в результате химической реакции. При значительном понижении температуры, но не ниже точки замерзания, можно достичь нижней критической температуры растворения (НКТР). Можно предположить, что все системы, имеющие НКТР, имеют и ВКТР (обратное не обязательно). Однако в большинстве случаев одна из смешивающихся жидкостей кипит при температуре ниже ВКТР. У системы никотин-вода НКТР равна 61
° С, а ВКТР составляет 208 ° C. В интервале 61-208 ° C эти жидкости ограниченно растворимы, а вне этого интервала обладают полной взаимной растворимостью. Твердые вещества . Все твердые вещества проявляют ограниченную растворимость в жидкостях. Их насыщенные растворы имеют при данной температуре определенный состав, который зависит от природы растворенного вещества и растворителя. Так, растворимость хлорида натрия в воде в несколько миллионов раз выше растворимости нафталина в воде, а при растворении их в бензоле наблюдается обратная картина. Этот пример иллюстрирует общее правило, согласно которому твердое вещество легко растворяется в жидкости, имеющей с ним сходные химические и физические свойства, но не растворяется в жидкости с противоположными свойствами.Соли обычно легко растворяются в воде и хуже - в других полярных растворителях, например в спирте и жидком аммиаке. Однако растворимость солей тоже существенно различается: например, нитрат аммония обладает в миллионы раз большей растворимостью в воде, чем хлорид серебра.
Растворение твердых веществ в жидкостях обычно сопровождается поглощением тепла, и в соответствии с принципом Ле Шателье их растворимость должна увеличиваться при нагревании. Этот эффект можно использовать для очистки веществ методом перекристаллизации. Для этого их растворяют при высокой температуре до получения насыщенного раствора, затем раствор охлаждают и после выпадения растворенного вещества в осадок профильтровывают. Есть вещества (например, гидроксид, сульфат и ацетат кальция), растворимость которых в воде с ростом температуры уменьшается.
Твердые вещества, как и жидкости, тоже могут растворяться друг в друге полностью, образуя гомогенную смесь - истинный твердый раствор, аналогичный жидкому раствору. Частично растворимые друг в друге вещества образуют два равновесных сопряженных твердых раствора, составы которых изменяются с температурой.
Коэффициент распределения . Если к равновесной системе двух несмешивающихся или частично смешивающихся жидкостей добавить раствор какого-либо вещества, то оно распределяется между жидкостями в определенной пропорции, не зависящей от общего количества вещества, в отсутствие химических взаимодействий в системе. Это правило получило название закона распределения, а отношение концентраций растворенного вещества в жидкостях - коэффициента распределения. Коэффициент распределения примерно равен отношению растворимостей данного вещества в двух жидкостях, т.е. вещество распределяется между жидкостями соответственно его растворимостям. Это свойство используется для экстракции данного вещества из его раствора в одном растворителе с помощью другого растворителя. Еще одним примером его применения является процесс экстракции серебра из руд, в состав которых оно часто входит вместе со свинцом. Для этого в расплавленную руду добавляют цинк, который не смешивается со свинцом. Серебро распределяется между расплавленным свинцом и цинком, преимущественно в верхнем слое последнего. Этот слой собирают и отделяют серебро дистилляцией цинка. Произведение растворимости (ПР ). Между избытком (осадком) твердого вещества M x B y и его насыщенным раствором устанавливается динамическое равновесие, описываемое уравнением Константа равновесия этой реакции равна
и называется произведением растворимости. Она постоянна при данных температуре и давлении и является величиной, на основании которой рассчитывают растворимость осадка и изменяют ее. Если в раствор добавить соединение, диссоциирующее на ионы, одноименные с ионами малорастворимой соли, то в соответствии с выражением для ПР растворимость соли уменьшается. При добавлении же соединения, реагирующего с одним из ионов, она, напротив, увеличится.
О некоторых свойствах растворов ионных соединений
см. также
ЭЛЕКТРОЛИТЫ
.
ЛИТЕРАТУРА
Шахпаронов М.И.
Введение в молекулярную теорию растворов
. М., 1956
Реми И. Курс неорганической химии , тт. 1-2. М., 1963, 1966
Ты долго принимаешь очень горячий душ, зеркало в ванной покрывается паром. Ты забываешь на окне кастрюлю с водой, а потом обнаруживаешь, что вода выкипела и кастрюля обгорела. Можно подумать, что вода любит превращаться то из газа в жидкость, то из жидкости в газ. Но когда это происходит?
В вентилируемом пространстве вода постепенно испаряется при любой температуре. Но кипит она только при определенных условиях. Температура кипения зависит от давления над жидкостью. При нормальном атмосферном давлении температура кипения составит 100 градусов. С высотой давление уменьшится так же, как и температура кипения. На вершине Монблана она составит 85 градусов, и там уже не приготовить вкусный чай! Но в скороварке, когда раздается свисток, температура воды уже составляет 130 градусов, а давление в 4 раза выше атмосферного. При такой температуре еда готовится скорее, а ароматы не улетучиваются вместе с парнем, поскольку клапан закрыт.
Изменение агрегатного состояния вещества при температурных изменениях.
Любая жидкость может перейти в газообразное состояние, если ее достаточно нагреть, а любой газ в жидкое, если его остудить. Поэтому бутан, который используют в газовых плитах и на даче, хранят в закрытых баллонах. Он жидкий и находится под давлением, как в скороварке. И на открытом воздухе при температуре чуть ниже 0 градусов метан кипит и очень быстро испаряется. Сжиженный метан хранят в гигантских резервуарах - танках. При обычном атмосферном давлении метан закипает при температуре 160 градусов ниже нуля. Чтобы газ не улетучился во время транспортировки, танки тщательно затрагивают как термосы.
Изменение агрегатных состояний вещества при изменении давления.
Между жидким и газообразным состоянием вещества существует зависимость от температуры и давления. Поскольку вещество в жидком состояние более насыщенное, чем в газообразном, можно подумать, что если увеличить давление, газ сразу превратится в жидкость. Но это не так. Впрочем, если ты станешь сжимать воздух велосипедным насосом, ты обнаружишь, что он нагревается. Он аккумулирует энергию, которую ты ему передаешь, давя на поршень. Газ путем сжатия можно превратить в жидкость лишь в том случае, если его одновременно охлаждать. Наоборот, жидкости, чтобы превратиться в газ, необходимо получить тепло. Вот почему испаряющийся спирт или эфир, отбирает тепло у нашего тела, создает ощущение холода на коже. Испарение морской воды под влиянием ветра охлаждает водную поверхность, а потоотделение остужает тело.
Смеси могут отличаться между собой не только по составу , но и по внешнему виду . В соответствии с тем, как выглядит данная смесь и какими свойствами она обладает, её можно отнести либо к однородным (гомогенным) , либо к неоднородным (гетерогенным) смесям.
Однородными (гомогенными)
называют такие смеси, в которых даже при помощи микроскопа нельзя обнаружить частицы других веществ.Состав и физические свойства во всех частях такой смеси одинаковы, поскольку между отдельными её составными частями отсутствуют поверхности раздела.
К однородным смесям относятся:
- смеси газов;
- растворы;
- сплавы.
Смеси газов
В качестве примера такой однородной смеси можно назвать воздух .
В состав чистого воздуха входят различные газообразные вещества :
- азот (его объёмная доля в чистом воздухе составляет \(78\) %);
- кислород (\(21\) %);
- благородные газы - аргон и другие (\(0,96\) %);
- углекислый газ (\(0,04\) %).
Газообразной смесью являются природный газ и попутный нефтяной газ . Основными составными частями этих смесей являются газообразные углеводороды : метан, этан, пропан и бутан.
Также газообразной смесью является такой возобновляемый ресурс, как биогаз , образующийся при переработке бактериями органических остатков на свалках, в ёмкостях очистных сооружений и в специальных установках. Главная составная часть биогаза - метан , который содержит примесь углекислого газа, сероводорода и целого ряда других газообразных веществ.
Cмеси газов: воздух и биогаз. Воздух можно продавать любознательным туристам, а биогаз, получаемый из зелёной массы в специальных ёмкостях - использовать в качестве топлива
Растворы
Обычно так называют жидкие смеси веществ, хотя этот термин в науке имеет более широкое значение: раствором принято называть любую (в том числе газообразную и твёрдую) однородную смесь веществ. Итак, о жидких растворах.
Важным раствором, встречающимся в природе, является нефть . Жидкие продукты, получаемые при её переработке: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, смазочные масла - также представляют собой смесь различных углеводородов .
Обрати внимание!
Чтобы приготовить раствор, нужно газообразное, жидкое или твёрдое вещество смешать с растворителем (водой, спиртом, ацетоном и др.).
Например, нашатырный спирт получают, растворяя вводе газ аммиак. В свою очередь, для приготовления тинктуры йода кристаллическиййод растворяют в этиловом спирте(этаноле).
Жидкие однородные смеси (растворы): нефть и нашатырный спирт
Сплав (твёрдый раствор) может быть получен на основе любого металла , и в его состав может входить множество различных веществ.
Самыми важными в настоящее время являются сплавы железа - чугуны и стали.
Чугунами называют сплавы железа, содержащие более \(2\) % углерода, а сталями - сплавы железа, содержание углерода в которых меньше.
То, что обычно называют «железом», на самом деле является сталью с низким содержанием углерода. Кроме углерода в состав сплавов железа могут входить кремний, фосфор, сера .
Я помню, как определение агрегатного состояния вещества нам объясняли еще в начальных классах. Учительница привела хороший пример про оловянного солдатика и тогда всем стало все понятно. Ниже я попробую освежить свои воспоминания.
Определить состояние вещества
Ну тут все просто: если вещество берется в руки, его можно пощупать и при нажатии на него оно сохраняет свои объем и форму - это твердое состояние. В жидком состоянии вещество не сохраняет форму, но сохраняет объем. Например, в стакане стоит вода, в данный момент она имеет форму стакана. А если ее перелить в чашку, то она примет форму чашки, но количество самой воды не изменится. Это означает, что вещество в жидком состоянии может менять форму, но не объем. В газообразном состоянии не сохраняется ни форма, ни объем вещества, а оно старается заполнить все доступное пространство.
А применительно к таблице, стоит упомянуть, что сахар и соль могут показаться жидкими веществами, но на самом деле они сыпучие вещества, весь их объем состоит из маленьких твердых кристаллов.
Состояния вещества: жидкое, твердое, газообразное
Все вещества на свете находятся в определенном состоянии: твердом, жидком или в виде газа. И любое же вещество может перейти из одного состояние в другое. Удивительно, но даже оловянный солдатик может быть жидким. Но для этого надо создать определенные условия, а именно - поместить его в сильно-сильно разогретое помещение, где олово расплавится и превратится в жидкий металл.
Но проще всего рассмотреть агрегатные состояния на примере воды.
- Если жидкую воду заморозить, то она превратиться в лед - это ее твердое состояние.
- Если жидкую воду сильно разогреть, то она начнет испаряться - это ее газообразное состояние.
- А если нагреть лед, то он начнет таять и опять превратится в воду - это называется жидким состоянием.
Особенно стоит выделить процесс конденсации: если сконцентрировать и охладить испаренную воду, то газообразное состояние перейдет в твердое - это называется конденсацией, и так образуется снег в атмосфере.