Некоторые особенности растворов
Константы и параметры, определяющие качественное (фазовое) состояние, количественные характеристики растворов. Виды растворов и их специфические свойства. Способы получения твердых растворов. Особенности растворов с эвтектикой. Растворы газов в жидкостях.
| Рубрика | Химия |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 06.09.2013 |
| Размер файла | 2,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- 1. Растворы
- 2. Некоторые особенности растворов
- 2.1 Твердые растворы
- 2.2 Растворы с эвтектикой
- 2.3 Растворы газов в жидкостях
- 2.4 Трехкомпонентные системы. Экстракция
- Список использованной литературы
1. Растворы
Растворы широко распространены в природе и повсеместно используются на практике. Химически чистые вещества по существу отражают их предельное состояние, которое, строго говоря, не достигается. Даже металлы, получаемые методом вакуумной и зонной плавки, содержат ничтожное количество примесей, достигающее 10-6%, а значит, являются твердыми растворами.
В жидких растворах существенно изменяются условия протекания химических реакций. Многие технологические процессы протекают только в растворах (разделение промышленных и природных жидких смесей, получение необходимых веществ методом экстракции, ректификации, кристаллизации и т.д.). Исключительная роль во всех биологических процессах и большинстве производственных технологий принадлежит водным растворам. Неводные растворы применяют главным образом при производстве полимеров, красителей, лаков и других веществ.
Технология некоторых отраслей промышленности базируется на твердых растворах, свойства которых, в частности, определяют прочность и работоспособность металлических сплавов и искусственных материалов с заранее заданными характеристиками.
Качественное (фазовое) состояние и количественные характеристики растворов определяются некоторыми константами (например, температурой замерзания и кипения) и параметрами (составом, концентрацией, давлением пара над раствором и др.).
2. Некоторые особенности растворов
Помимо жидких существуют твердые растворы и растворы газов в жидкостях, специфические свойства которых рассматриваются в этой главе. Подобные растворы имеют важное значение в различных отраслях промышленности (в производстве искусственных материалов, керамики, стекла, в металлургии, легкой и пищевой промышленности, и др.) и во многих случаях определяют специфику технологического процесса и свойства выпускаемой продукции.
Знакомство с особенностями трехкомпонентных систем (определением их состава, условиями распределения третьего компонента между двумя, извлечением из смеси необходимых веществ) расширяет представление о растворах.
2.1 Твердые растворы
Твердыми растворами называют однородные системы, состоящие из двух и более твердых компонентов. При рассмотрении под микроскопом структура кристаллических твердых растворов представляется гомогенной - в виде однородных кристаллических элементов.
Способность образовывать твердые растворы свойственна всем кристаллическим твердым телам. В большинстве случаев она ограничена узким интервалом концентрации растворенного твердого вещества, значительно реже - при любых концентрациях.
В зависимости от способов получения, а также от особенностей взаимодействия компонентов твердые растворы могут быть растворами замещения, внедрения и вычитания.
В твердых растворах замещения сохраняется структура кристаллической решетки растворителя. Молекулы, атомы или ионы растворенного вещества помещаются в узлах кристаллической решетки растворителя, как бы замещают его атомы. Образованию подобных растворов способствуют близость строения кристаллических решеток растворенного вещества и растворителя, а следовательно, и близость кристаллохимических свойств.
Если атомы компонентов твердого раствора существенно отличаются по размерам, то возможно внедрение атомов одного элемента между узлами кристаллической решетки другого, и образуются так называемые твердые растворы внедрения.
Подобные системы образуются при растворении неметаллов (бора, водорода, кислорода, азота, углерода) в металлах. Внедрение инородных атомов в промежутках между атомами металлов приводит к росту напряжения в кристаллической решетке. В связи с этим концентрация растворенного вещества в этих растворах относительно невелика. Наиболее распространенным твердым раствором внедрения является раствор углерода в железе - различные композиции чугуна и из легированной стали - это твердые растворы внедрения.
Рис.1. Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью компонентов А и В в жидком и твердом состояниях: 1 - линия ликвидуса; 2 - линия солидуса
В твердых растворах вычитания, которые образуются сравнительно редко, происходит "выпадение" атомов из кристаллической решетки. Такие системы иногда называют твердыми растворами с дефектами решетки.
Взаимная растворимость компонентов в твердом растворе может быть либо неограниченной (непрерывные твердые растворы либо ограниченной (твердые растворы с разрывом сплошности). Наиболее распространенными являются твердые растворы с ограниченной растворимостью.
Твердые растворы широко распространены среди природных и искусственно получаемых веществ. Важнейшие природно-образующиеся минералы (слюда, полевые шпаты, роговые обманки и др.) являются твердыми растворами. К искусственным твердым растворам относятся сплавы, керамика, ферриты и др. Твердыми растворами являются и конструкционные, и нержавеющие стали, чугун, латунь и др. Из неметаллических растворов следует упомянуть стекло.
Наиболее распространенным способом получения твердых растворов является затвердевание расплавов или жидких растворов разнородных компонентов. Кроме того, твердые растворы образуются при диффузии компонентов, находящихся в твердой смеси при повышенной температуре, а также вследствие конденсации газообразных веществ.
В зависимости от растворимости компонентов раствора различают системы, компоненты которых взаимно неограниченно растворимы в жидком и твердом состоянии, и системы, компоненты которых растворимы лишь в жидком состоянии, а в твердом состоянии не образуют растворы. Это так называемые растворы с эвтектикой.
Диаграмма состояния системы с неограниченной растворимостью двух компонентов в жидком и твердом состояниях приведена на рис.1. На оси абсцисс отложены мольные доли компонентов раствора А и В (Nа, Nb). (Часто вместо мольных долей состав твердых растворов выражают при помощи массовой доли или процентного содержания.) По оси ординат отложена температура системы. Для чистых компонентов системы температура плавления компонента В превышает температуру плавления компонента А, т.е. t пл B > t пл A - компонент В является более тугоплавким по сравнению с компонентом а.
В зависимости от фазового состава следует различать три области: I - жидкий раствор (расплав); II - равновесное сосуществование жидкого и твердого растворов; III - твердый раствор.
Кривую 1, определяющую начало перехода жидкого раствора в твердый, называют линией ликвидуса, или просто ликвидус (от латинского слова liquor - жидкость). Кривая 2, которая характеризует переход всей системы в состояние твёрдого раствора, называют линией солидуса, или просто солидус (от латинского слова solid - твердый).
Для систем, компоненты которых представляют конденсированные фазы (жидкие или твердые растворы), число внешних условий, определяющих состояние и вид системы, снижается на единицу - давление не оказывает практического влияния на состояние системы. Поэтому для определения числа степеней свободы следует воспользоваться формулой: С= К - Ф + 1. В областях I и III система является гомогенной, состоит из одной фазы, и число степеней свободы равно двум (С = 2 - 1 + 1 = 2), а в области II - единице (С = 2 - 2 + 1 = 1). Если число степеней свободы равно единице, то каждой температуре соответствует определенный состав жидкого и твердого растворов.
По правилу рычага отношение между числом молей компонентов в жидкой nж и твердой nж фазах обратно пропорционально длине отрезков, лежащих на прямой, параллельной оси абсцисс между линиями ликвидуса и солидуса.
2.2 Растворы с эвтектикой
При отверждении расплава, который состоит по крайней мере из двух компонентов и является жидким раствором, не обязательно образуются твердые растворы. Диаграмма состояния системы, жидкая фаза которой образует раствор, а твердая - не образует, представлена на рис.2.
Рис.2. Диаграмма состояния системы с эвтектикой, образующей жидкие и не образующей твердые растворы: 1 - линия ликвидуса; 2 - линия солидуса (эвтектическая прямая)
Следует различать четыре области: I - жидкий раствор; II - жидкий раствор компонентов А и В и твердых кристаллов вещества А; // / - жидкий раствор компонентов А и В и кристаллов вещества В; IV - два твердых компонента А и В, не образующие твердый раствор.
Линия ликвидуса (кривая 1) характеризует переход жидкой фазы в твердую. Температура плавления компонентов А и В равна соответственно tплА и t пл В. Отрезок tплА - Э линии ликвидуса соответствует составу системы, когда начинается выпадение кристаллов твердого вещества А в растворе (расплаве), содержащем вещества А и В, т.е. началу образования двухфазной системы, а отрезок Э - t пл В началу выпадения кристаллов вещества В.
Линия солидуса (прямая 2) характеризует переход жидкой фазы в твердую и образование системы из двух твердых компонентов, не образующих твердый раствор. Линия солидуса в этих диаграммах выполняет роль эвтектической прямой.
Разберем более подробно фазовое состояние системы и число степеней свободы в четырех областях на основании правила фаз Гиббса для конденсированных систем.
В области I система образует жидкий раствор и число степеней свободы равно двум [С=К-Ф+1 = 2-1 + 1 = 2], т.е. можно произвольно в определенных пределах изменять температуру и состав системы, не изменяя числа и вида фаз.
В области II система двухфазная, состоящая из раствора компонентов А и В и твердых кристаллов компонента А. Число степеней свободы равно единице [С = 2 - 2 + 1 = 1], т.е. можно изменять в пределах этой области лишь температуру, а состав при данной температуре определяется отрезком линии ликвидуса (отрезок tплА - Э).
В области III так же, как и в области II, число степеней свободы равно единице, так как система двухфазная, а ее состав зафиксирован отрезком Э - t пл В линии ликвидуса.
В области IV система состоит из двух фаз, а число степеней свободы становится равным единице. Это дает возможность произвольно изменять температуру, а состав фаз перестает быть переменным, поскольку всегда система состоит из двух чистых твердых веществ А и В.
Точка Э - эвтектическая точка; она соответствует такому составу системы, когда в равновесии находятся жидкие компоненты системы, образующие расплав, с твердыми кристаллами компонента А и компонента В. Число фаз равно трем, а число степеней свободы равно нулю [С=2-3 + 1 = 0]. Образуется безвариантная трехфазная система, в которой нельзя менять ни температуру, ни состав системы. Три фазы могут находиться в равновесии только в том случае, когда температура системы равна эвтектической, и система имеет эвтектический состав, определяемый точкой Э на диаграмме рис.2.
Процесс перехода расплава в твердое состояние происходит в интервале температур от tл до tc, который сокращается по мере приближения состава системы к эвтектическому. Только при эвтектическом составе, соответствующем точке Э рис.2, наблюдается отверждение раствора при определенной фиксированной температуре tс без температурного интервала.
Наиболее распространенным и доступным методом исследования фазового состояния системы и построения диаграмм состояния является термический анализ. Этот метод основан на изменении температуры при охлаждении (или нагревании) системы с течением времени. В системах, компоненты которых прозрачны, термический анализ основан на визуальном (зрительном) наблюдении за расплавом при медленном остывании (реже при медленном нагревании).
2.3 Растворы газов в жидкостях
Газы могут растворяться в жидкостях, образуя жидкие растворы. В связи с незначительной растворимостью газов их растворы можно отнести к разбавленным. Количественно растворение газов в жидкостях можно выразить различным способом: при помощи мольной доли растворенного газа Nг или концентрации, а также при помощи коэффициента растворимости. Коэффициент растворимости равен отношению объема растворенного газа Vг [л или м3], приведенного к давлению 1,013*105 Па (1 атм), к объему растворителя Vp [л или м3]:
Коэффициент растворимости зависит от температуры.
Коэффициент растворимости (а следовательно, и растворимость газов) уменьшается с ростом температуры и изменяется в довольно широких пределах, что объясняется различием в механизмах растворения разных газов.
Растворение газа в жидкости происходит либо в результате межмолекулярного взаимодействия молекул газа и жидкости, либо является следствием химической реакции между молекулами растворителя и растворенного вещества.
Кислород растворяется в воде в результате межмолекулярного взаимодействия, что объясняет его относительно плохую растворимость в воде. Подобная незначительная растворимость в воде характерна для многих, в том числе и благородных, газов (Не, Ne, H2, СН4 и др.).
А высокая растворимость некоторых газов в воде объясняется химическим взаимодействием; для аммиака это взаимодействие происходит следующим образом: NНз + H2O NH+4 + ОН-.
Растворению диоксида углерода (СО2) способствует межмолекулярное взаимодействие в сочетании с химической реакцией, приводящей к образованию угольной кислоты (СО2 + Н2О H2CO3).
Растворимость газов зависит не только от природы растворяемого вещества, но и от свойств растворителя. Так, растворимость азота в этаноле и ацетоне почти в 10 раз превышает его растворимость в воде.
Равновесие в системе жидкость-газ динамическое: какое-то количество молекул газа испаряется из раствора, такое же количество растворяется. При установлении подобного равновесия при определенных температуре и давлении жидкость насыщена газом. Растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью жидкости pг. В соответствии с законом Генри для разбавленных растворов, к которым относятся растворы газов, можно записать
,
где kт - коэффициент пропорциональности, или константа Генри, в данном случае для растворов газов; Nг - мольная доля растворенного газа.
Константа Генри измеряется в Па и так же, как и коэффициент растворимости, определяет содержание газа в растворе.
Обратим внимание на то, что константа Генри постоянна при данной температуре, а при изменении температуры ее значение изменяется.
Выражение для определения мольной доли растворенного газа:
Две формулировки закона Генри применительно к раствору газов в жидкостях:
1) парциальное давление газа над поверхностью его раствора прямо пропорционально мольной доле растворенного газа.2) мольная доля растворенного газа (или концентрация растворенного газа) пропорциональна парциальному давлению газа над раствором. Согласно закону Генри, с увеличением давления растут растворимость и концентрация растворенного газа. Закон Генри справедлив для сильно разбавленных растворов газов, близких к идеальным. Так, при растворении даже таких плохо растворимых в воде газов, как аргон, закон Генри остается справедливым для относительно низких температур и давлений до 5 атм.
В области высоких давлений и сравнительно больших концентраций закон Генри можно выразить следующим образом:
,
где fг - фугитивность, или летучесть, газа
Растворимость газов снижается в присутствии электролитов, что объясняется процессом сольватации. Молекулы растворителя прочнее связываются с ионами электролитов, нежели с растворенными молекулами газа; значительная часть молекул растворителя используется для создания сольватной оболочки и выключается из участия в растворении газов.
Количественно снижение растворимости газов в присутствии электролитов определяется выражением:
,
где хо и х - растворимости газа в воде и растворе электролита, выраженные в одних и тех же единицах; kэ - эмпирический коэффициент, зависящий от природы газа и электролита, а также от температуры; с - концентрация электролита.
Снижение растворимости газа в присутствии солей и выделение при этом пузырьков газа называют высаливанием. Примером высаливания служит выделение пузырьков газа при добавлении в пиво щепотки соли.
В отличие от жидких растворов растворимость газов снижается при нагревании и увеличивается при охлаждении.
Причину изменения растворимости газов в зависимости от температуры можно уяснить, если обратиться к уравнению Клаузиуса-Клапейрона:
,
где Нр - тепловой эффект процесса растворения газа в жидкости.
раствор эвтектика газ жидкость
Следует отметить, что фазовое равновесие между газом и жидкостью существует в ограниченной области температур и давлений.
2.4 Трехкомпонентные системы. Экстракция
Состав двухкомпонентных систем описывается диаграммами состава (рис.1 и 2) и определяется значениями мольных долей компонентов, отлагаемых на оси абсцисс. Состав трехкомпонентной системы изображают в виде графиков. Наиболее распространенный из них - равносторонний треугольник (рис.3).
Рис.3. Графическое изображение состава трехкомпонентной системы
Каждая сторона этого треугольника отражает состав двухкомпонентной системы аналогично оси абсцисс рис.1 и 2. Любая точка внутри треугольника характеризует состав трехкомпонентной системы, и наоборот, определенному составу системы соответствует одна точка внутри треугольника.
Рассмотрим в качестве примера состав системы в точке Р. Для этой цели из точки Р проведем три прямые, параллельные сторонам треугольника. Эти прямые на сторонах треугольника будут отсекать отрезки, длина которых в соответствии с принятым масштабом определяет содержание каждого компонента. В соответствии с рис.3 NА = 0,4; NВ = 0,2 и NС = 0,4 или в процентах 40,20 и 40%.
Третий компонент D может быть введен в двухкомпонентную систему из двух несмешивающихся жидкостей А и В. Когда вводится относительно небольшое количество третьего компонента и он распределяется в обеих фазах одинаково, а диссоциации и ассоциации молекул не происходит, то третий компонент распределяется в двух жидких фазах в определенной пропорции, т.е.
,
где , - концентрации компонента D в жидкости А и В соответственно.
Уравнение отражает закон распределения, который можно сформулировать следующим образом: отношение концентраций третьего компонента в двух равновесных жидких фазах является величиной постоянной при данной температуре и не зависит от концентрации вводимого компонента.
Постоянную kр в уравнении называют коэффициентом распределения.
В случае диссоциации (распада молекул) или ассоциации (образования ассоциатов из молекул) размеры частиц в разных растворителях будут различными. В подобных случаях - уравнение теряет смысл, и можно воспользоваться более общим выражением для коэффициента распределения:
,
где n - постоянная для данного растворителя.
После логарифмирования уравнения получим:
Закон распределения в логарифмической форме позволяет по известным значениям и графическим путем определить lgkp и n.
В производстве часто возникает необходимость извлечь вещество из раствора, удалить из него примеси или повысить концентрацию растворенного вещества. В этих случаях прибегают к экстракции.
Экстракцией называют извлечение из многокомпонентного раствора одного или нескольких компонентов с помощью растворителя, обладающего избирательной способностью растворять только подлежащие экстрагированию компоненты.
Экстракцию широко применяют в промышленности, в том числе и пищевой. При помощи экстракции происходит извлечение необходимых веществ: сахара из свеклы, растительного масла из семечек и др.
На основе закона распределения можно рассчитать эффективность экстракции в зависимости от свойств растворителя и экстрагируемого вещества. Коэффициент распределения характеризует возможность выделения растворенного вещества.
Коэффициент распределения будет равен: , где с1 - концентрация вещества, оставшегося в системе после первой экстракции; с2 - концентрация вещества, удаляемого из системы в результате экстракции.
Концентрации с1 и с2 можно выразить следующим образом:
,
где mo, m1 - массы экстрагируемого вещества до и после экстракции; mo - m1 - масса вещества, удаляемого в результате первой экстракции; V1, V2 - объем растора, подвергшегося экстракции, и объем растворителя, используемого для экстракции.
Подставляя в уравнение значения концентраций:
Для более полного извлечения экстрагируемого вещества при ограниченном объеме растворителя экстракцию следует проводить не сразу всем количеством растворителя, а несколькими малыми порциями примерно одного и того же объема.
Список использованной литературы
1. Зимон А.Д. Физическая химия: Учебник для вузов
2. Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство. Под ред. Никольского Б. П.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Растворимость газов и твердых тел в жидкостях. Коллигативные свойства разбавленных растворов неэлектролитов и в случае диссоциации. Понятие осмотического давления. Совершенные и реальные растворы: характеристика и уравнения. Закон распределения.
лекция [365,9 K], добавлен 28.02.2009Механические свойства изделий из полимеров. Воздействие механического поля на жидкокристаллические растворы ЦЭЦ. Анализ результатов рентгеновских исследований растворов ЦЭЦ. Последствия сдвиговой деформации жидкокристаллических растворов ЦЭЦ в ДМФА.
статья [825,5 K], добавлен 22.02.2010Природа растворяемого вещества и растворителя. Способы выражения концентрации растворов. Влияние температуры на растворимость газов, жидкостей и твердых веществ. Факторы, влияющие на расторимость. Связь нормальности и молярности. Законы для растворов.
лекция [163,9 K], добавлен 22.04.2013Характеристика растворов, содержащих буферные системы и обладающих способностью поддерживать рН на постоянном уровне. Применение буферных растворов и их классификация. Сущность буферного действия. Буферные свойства растворов сильных кислот и оснований.
контрольная работа [43,9 K], добавлен 28.10.2015Классификация и особенности растворов и растворителей. Участие растворителей в кислотно-основном взаимодействии и их результаты. Протеолитическая теория кислот и оснований. Способы выражения концентрации растворов. Буферные растворы и вычисление их pH.
реферат [27,6 K], добавлен 23.01.2009Роль осмоса в биологических процессах. Процесс диффузии для двух растворов. Формулировка закона Рауля и следствия из него. Применение методов криоскопии и эбуллиоскопии. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа. Коллигативные свойства растворов электролитов.
реферат [582,1 K], добавлен 23.03.2013Основные направления в развитии теории растворов. Термодинамические условия образования растворов. Методы определения парциальных молярных величин. Закон Рауля, предельно разбавленные и неидеальные растворы. Азеотропные смеси и законы Гиббса-Коновалова.
курсовая работа [67,5 K], добавлен 24.12.2014Физические свойства воды, дипольный момент молекулы. Механизм образования растворов. Влияние давления, температуры и электролитов на растворимость веществ. Тепловая теорема Нернста. Главные способы выражения состава растворов. Понятие о мольной доле.
реферат [741,2 K], добавлен 23.03.2013Понятие растворов высокомолекулярных соединений (ВМС). Процесс набухания ВМС: его стадии, причины, давление и степень. Вязкость дисперсных систем и растворов ВМС, методы ее измерения. Структурная и относительная вязкость. Коагуляционные структуры.
реферат [52,4 K], добавлен 22.01.2009Приготовление растворов полимеров: процесс растворения полимеров; фильтрование и обезвоздушивание растворов. Стадии производства пленок раствора полимера. Общие требования к пластификаторам. Подготовка раствора к формованию. Образование жидкой пленки.
курсовая работа [383,2 K], добавлен 04.01.2010
