post

Дисперсни системи – Разтвори. Дифузия и Осмоза

плакат на междузвездни войни

Ако имаме две вещества, за които приемаме, че частиците на едното са равномерно разпръснати между частиците на другото, казваме, че те заедно образуват дисперсна система. Веществото, чиито частици условно приемаме за диспергирани (разпръснати) се нарича дисперсна фаза. Веществото, в което условно приемаме, че са разпръснати частиците на дисперсната фаза, се нарича дисперсна среда.

Дисперсни системи

В зависимост от агрегатното състояние, дисперсните системи биват газообразни, течни и твърди. Според размерите на частиците на дисперсната фаза, дисперсните системи са грубо дисперсни, колоидно дисперсни и молекулно (йонно) дисперсни.

1. Молекулно и йонно дисперсните системи се наричат истински разтвори. Веществото, което има агрегатното състояние на разтвора се нарича разтворител (дисперсна среда). Останалите вещества се наричат разтворени вещества (дисперсна фаза). Разтворите са хомогенни дисперсни системи, при които размерът на диспергираните частици е под един нанометър (nm).

2. Колоидно дисперсните системи се наричат колоиди. Размерът на диспергираните частици при колоидите е между 1 и 1000 нанометра.

Солватация или как се образуват разтвори

Солватация или как се образуват разтвори

Процесът на разтваряне протича спонтанно и едновременно с процеса солватация, при който молекулите на разтворителя (солвента) влизат в контакт с молекулите на разтваряното вещество, обграждат ги и с помощта на електрични сили на привличане, разкъсват връзките на кристалната решетка, напълно обграждат разтваряната частица и бразуват нетрайни съединения с непостоянен състав наречени солвати. Ако солватация е в разтворител вода, получените солвати се наричат хидрати.

Обратният процес на разтварянето се нарича кристализация. При изкристализирането е възможно някои хидрати да се запазят и така се получават кристалохидрати (CuSO4.5H2O – меден сулфат кристалохидрат).

Процесът на солватация и респективно на разтваряне, може да е както ендотермичен, така и екзотермичен. Например, когато се разтваря обикновена захар (молекулно вещество – захароза) във вода, става по-лесно ако водата е топла или дори гореща, защото процесът е ендотермичен. Ако обаче разтвряме сода каустик (натриева основа) във вода е за предпочитане тя да е хладка и дори студена, защото процесът е екзотермичен и полученият разтвор е горещ.

Разтвори

Разтвор, който при дадени условия не може да разтваря допълнителни количества от разтварящото се вещество, се нарича наситен. Ако разтворът съдържа по-малка концентрация разтворено вещество от тази в наситения, то тогава той се назовава ненаситен. Ако концентрацията на разтвореното вещество е по-голяма от тази в наситения, то тогава разтворът е преситен и може да се наблюдава получаване на неразтворима утайка.

Концентрация

Концентрацията на разтворите може да се описва от величини с размерност и от безразмерни величини. Първите дават информация за абсолютното количество разтворено вещество в даден обем или маса от разтвора. Вторите представят процентното съдържание на диспергираното съединение отнесено спрямо цялото (разтвора).

Размерни величини са масовата концентрация и моларната концентрация.

Масовата концентрация изразява количеството разтворено вещество измерено в килограми за единица обем от разтвора.

pА=mА/V[kg/m3]

Моларната концентрация е количеството разтворено вещество измерено в молове за единица обем или маса от разтвора. Изразява се съответно с уравненията:

cv=nА/Vр-р[mol/m3]

cm=nА/mр-р[mol/kg]

Молалната концентрация представлява броят молове на разтвореното вещество отнесени към масата на разтворителя.

cm=nА/mр-л[mol/kg]

Безразмерни величини са молната част и масовата част.

Парно налягане. Закони на Раул и Бекман

Всяка течност в затворена система е в равновесно състояние с парите си, което ще рече, че се изпаряват толкова молекули от течността, колкото и кондензират. Парите на всяка течност в равновесно състояние се наричат наситени пари и създават налягане наречено парно налягане. Неговите стойности са различни за всяка температура. Когато парното налягане на една течност се изравни с атмосферното, казваме за нея, че кипи или по-точно, че е достигнала до температурата си на кипене. Температурата на кипене е в пряка зависимост от атмосферното налягане. Колкото по-ниско е то, при толкова по-ниска температура кипи течността и обратното.

Парното налягане на всички разтвори е по-ниско в сравнение с това на чистата течност-разтворител, защото частиците на диспергираното (разтвореното) вещество препятстват изпарението на молекулите на разтворителя. Зависимостта определяща понижението на парното налягане на разтворите се нарича първи закон на Раул и се дефинира така:

Понижението на парното налягане Δ на разтвора спрямо налягането на наситените пари на чистия разтворител е правопропорционално на молната част (n/(n+N)) на разтвореното вещество:

Δp = p0 – pр-ра = p0(n/(n+N)),

където n са броя молове разтворено вещество, N са моловете разтворител, p0 е парното налягане на чистия разтворител, а pр-ра е парното налягане на разтвора.

Тъй като разтворите имат по-ниско парно налягане, за да се изравни с атмосферното и разтворът да достигне точката на кипене е необходима по-висока температура. Следователно температурата на кипене на разтвора е по-висока от температурата на кипене на чистия разтворител. Съществува правопропорционална зависимост между концентрацията на разтвореното вещество и повишението на температурата на кипене на разтвора, която се описва посредством закона на Бекман. Подобна, но обратнопропорционална е зависимостта между температурата на замръзване на разтвора и концентрацията на разтвореното вещество и тя е описана от втория закон на Раул. Колкото по-концентриран е един разтвор, толкова по-ниска е температурата му на замръзване.

Закон на Бекман:

ΔТк = Е.(mдф.1000)/(M.mр-ля)

Втори закон на Раул:
ΔТз = К.(mдф.1000)/(M.mр-ля)

ΔТк – повишението на температурата на кипене на разтвора спрямо тази на чистия разтворител. ΔТк – понижението на температурата на замръзване на разтвора спрямо тази на чистия разтворител. Е и К са съответно ебулиоскопска и криоскопска константи, които са специфични за всеки разтворител и не зависят от разтвореното в него вещество и температурата. М е моларната маса на разтвореното вещество и се измерва в грама за мол [g/mol]. mдф е масата на разтвореното вещество, а mр-ля масата на разтворителя – и двете се измерват в грамове.

Разтворимост. Дифузия. Осмоза.

Свойството на едни вещества да се разтварят в други и да образуват разтвори се нарича разтворимост. Процесът на спонтанното изравняване на концентрацията на разтвореното вещество в целия обем на разтвора се нарича дифузия. Понеже в живите организми има много полупропускливи мембрани, изравняването на концентрациите на разтворените вещества във вътрешната течна среда, от двете страни на клетъчната мембрана, става посредством процеса осмоза. При него молекулите на разтворителя спонтанно преминават еднопосочно през мембраната в посока на по-високата концентрация на разтворени вещества. Хидростатичното налягане, което се създава в следствие на този молекулен пренос в противовес на осмозата, се нарича осмотично налягане. В лабораторни условия то се измерва с височината на стълба течност, необходим да спре осмозата.

Фактори и условия за разтворимост

Разтворимостта зависи от природата на веществата, температурата, а в случаите, когато имаме газове, зависи и от налягането. Вече споменахме, че разтварянето, ако е ендотермичен процес (поглъща се топлина) се облагодетелства от по-високи температури, а се забавя от по-ниски. Ако пък е екзотермичен процес (отделя се топлина), ниските температури го ускоряват, а високите го забавят. В случай, че разтваряме газове в течности, процесът протича по-лесно при по-ниски температури и повишено налягане. Повишаването на температурата намалява разтворимостта на газоветете в течности.

Най-важният фактор, който влияе на разтворимостта е природата на веществата. Съществува емпирично правило, което гласи: подобно се разтваря в подобно. Това означава, че полярните разтворители разтварят добре вещества с йонна или полярна структура, а неполярните разтворители разтварят добре неполярни съединения. Затова, когато определяме разтворимостта на дадено вещество, трябва да се има предвид конкретен разтворител и спрямо него можем да кажем, дали съединението е добре разтворимо, слабо разтворимо или практически е неразтворимо.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *