Общие свойства растворов и способы выражения их концентраций
Растворы представляют собой однородные смеси молекул растворенного вещества и растворителя. Под действием электростатических сил, возникающих между полярными молекулами растворителя и растворенного вещества, происходит распад этих молекул на ионы, т. е. группы атомов, обладающие положительными и отрицательными электрическими зарядами (рис. 1, а). Положительные и отрицательные ионы - катионы и анионы - в растворе оказываются окруженными со всех сторон молекулами растворителя (рис. 1, б), с которыми они связаны электростатическими силами. Этот процесс окружения ионов называется сольватацией, или, в случае воды, гидратацией ионов.
Рис. 1. Диссоциация молекулы хлористого натрия на ионы в растворе
Благодаря тепловому движению молекул состав сольватной оболочки непрерывно меняется: одни молекулы уходят из сферы притяжения данного иона, другие в нее входят. Наличие сольватной оболочки затрудняет перемещение ионов, создавая кажущийся эффект возрастания их массы и объема. Катионы и анионы, участвуя в тепловом движении, при встрече могут вновь воссоединиться в нейтральную молекулу. Такой процесс называется рекомбинацией ионов. Очевидно, что наличие сольватной оболочки затрудняет процесс рекомбинации ионов.
В результате одновременно идущих процессов диссоциации молекул и рекомбинации ионов устанавливается динамическое равновесие, при котором за равные промежутки времени число распадающихся молекул оказывается равным числу вновь образующихся. Отношение числа распавшихся молекул к общему числу молекул растворенного вещества называется степенью диссоциации растворенного вещества. Степень диссоциации возрастает с увеличением температуры раствора, уменьшением его концентрации и под действием других факторов. В сильно разбавленных растворах (при малых концентрациях) почти все ионы вещества окружены молекулами растворителя и лишь изредка встречаются друг с другом и рекомбинируют в молекулы, поэтому считается, что диссоциированы почти все молекулы.
Растворы, содержащие диссоциированные на катионы и анионы молекулы, называются электролитами. Наиболее сильными электролитами являются водные растворы кислот, щелочей и солей. Так, например, в водном растворе едкого натра NaOH его молекулы диссоциируют на катионы натрия Na и анионы гидроксильной группы ОН', что записывается так:
NaOH D Na- + OH'
В водном растворе серной кислоты Н2SО4 процесс электролитической диссоциации происходит в два этапа:
H2SO4 D H- + HSO4' D 2H- + SO4''
Окончательно молекулы серной кислоты распадаются на катионы водорода Н и анионы кислотной группы SO4'' (двойной индекс указывает на то, что эти анионы несут на себе двойной элементарный заряд).
Следует иметь в виду, что свободный ион водорода Н в водных растворах существовать не может, так как он представляет собой ядро водорода, лишенное электронной оболочки (протон). Вокруг него существует электростатическое поле большой напряженности. Поэтому в водных растворах он притягивает к себе молекулу воды и образует катион гидроксония Н3О, а запись Н- в уравнениях электролитической диссоциации чисто условная.
Растворимость данного вещества в данном растворителе характеризуется величиной концентрации его насыщенного раствора. Концентрацией раствора называется количество вещества в единице объема или веса растворителя.
Процентная концентрация показывает количество граммов растворенного вещества в ста граммах раствора.
Молярная концентрация (молярность) См показывает количество грамм-молекул растворенного вещества в одном литре раствора г-мол/л.
Нормальная концентрация (нормальность) СN показывает количество грамм-эквивалентов растворенного вещества в одном литре раствора или количество миллиграмм-эквивалентов растворенного вещества в одном миллилитре раствора: г-экв/л или мг-экв/мл.
Нормальность и молярность растворов одноосновных кислот и щелочей совпадают, так как грамм-эквиваленты этих веществ равны их грамм-молекулам.
При разбавлении раствора количество грамм-молекул, грамм-эквивалентов и грамм-атомов растворенного вещества не изменяется, а молярность и нормальность раствора уменьшаются во столько раз, во сколько был разбавлен раствор.