УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32/2003

§ 6.2. Общие свойства растворов

В этом разделе вы узнаете, что за приборы, похожие на термометры, висят на стенах картинных галерей и музеев. Вы узнаете также, только не смейтесь, когда следует солить воду при варке картофеля – в начале или в конце. Что делать, если в радиатор грузовика археологической экспедиции залита вода, а ночью обещают мороз –10 °С, от которого мотор и радиатор разорвет замерзшая вода? Почему в пустыне среди сухих песков растут налитые соком кактусы? Может ли человек, затерявшийся на долгое время в спасательной шлюпке среди океана, пить соленую воду? Почему при купании в морской воде глаза не болят? Почему в варенье непроколотые сливы или вишни сморщиваются, а в компоте, наоборот, раздуваются и лопаются? Читайте, и вы узнаете ответы!

Одно из важнейших свойств жидкостей и растворов (и вообще всех веществ) – давление насыщенного пара вещества над поверхностью жидкости (или кристалла).

Давление насыщенного пара воды имеет огромное значение для жизни природы. Листья на деревьях высыхают, когда давление паров воды в воздухе становится ниже некоторого предела. Выстиранное белье на берегу моря почти не сохнет. И такое же белье на морозе высыхает быстрее, чем при обычной температуре. Здесь мы имеем дело с давлением пара воды.
Вы видели в музеях висящие на стенах психрометры – приборы для измерения влажности воздуха? Психрометр состоит из двух термометров – одного обычного, сухого, и второго, влажного, – с шариком, обернутым тканью, которая опущена в воду. Сухой термометр показывает температуру воздуха, а смоченный – температуру влажной ткани. Из показаний обоих термометров по специальной таблице (или графику) определяют давление водяного пара в воздухе, его влажность. Какой термометр, сухой или влажный, показывает более высокую температуру? Почему такое устройство позволяет судить о влажности воздуха?
Иногда для измерения влажности воздуха используют гигрометры – приборы, основанные на других принципах действия. Например, действие волосного гигрометра основано на зависимости длины человеческого обезжиренного волоса от содержания водяных паров, электролитического гигрометра – на зависимости сопротивления раствора электролита от влажности воздуха и т. д. Почему в музеях необходимо поддерживать постоянную влажность воздуха?

Давление пара над раствором отличается от давления пара над чистым веществом. Сейчас мы выведем формулу зависимости давления пара вещества над раствором, чтобы показать универсальность этого научного подхода, применимого не только в химии и физике, но и в социологических исследованиях (например, миграция населения из местностей, заселенных людьми различных национальностей).
Предположим, что происходит испарение чистой жидкости А (чистый растворитель) (рис. 6.5, а). Скорость испарения _исп пропорциональна площади поверхности жидкости S:_исп ~ S.

Рис. 6.5. Пар над чистым растворителем (а) и раствором (б)

Введем коэффициент пропорциональности k_исп (учитывающий природу вещества А и другие факторы) и напишем знак равенства: _исп = k_исп • S.
Скорость процесса обратного перехода вещества А из газообразного состояния в жидкость, т. е. конденсации _конд, пропорциональна площади поверхности жидкости S, доступной для перехода молекул из газовой фазы в жидкую, и числу молекул в некотором объеме газовой фазы над поверхностью жидкости, т. е. пропорциональна давлению пара жидкости р_А: _конд ~ S, _конд ~ р_А.
Помня, что величина, пропорциональная нескольким факторам, пропорциональна произведению этих факторов, и введя коэффициент пропорциональности k_конд, получаем:

_конд = k_конд • S • р_А.

При равенстве скоростей прямого и обратного процессов (испарения и конденсации):

_исп = _конд, k_исп • S = k_конд • S • р_А,

наступает состояние равновесия, характеризующееся константой равновесия К:

К = k_исп/k_конд,

для которой площадь поверхности жидкой фазы не имеет значения, поэтому

К = р_А.

Следовательно, константа равновесия процесса перехода вещества из жидкой фазы в газообразную численно равна давлению насыщенного пара при данной температуре.

Пример. При температуре 20 °С давление водяного пара над чистой жидкой водой составляет 2333 Па. Таким образом, константа равновесия между паром и жидкостью равна

Обратите внимание: константа равновесия имеет размерность!

Тот же подход используем для описания поведения и свойств раствора, состоящего из растворителя А и растворенного вещества В. При растворении вещества В в веществе А число молекул А в единице объема жидкости уменьшается, а значит, снижается и их число, приходящееся на единицу поверхности испаряющейся жидкости (рис. 6.5, б). Из-за этого уменьшается скорость испарения растворителя (воды) и снижается давление (парциальное) насыщенного пара растворителя над раствором.
Для обсуждения свойств растворов нам необходимо познакомиться с еще одним способом выражения концентрации – мольными долями (или мольными процентами).

Этот способ выражения концентрации используется в тех случаях, когда требуется показать зависимость какого-либо свойства системы от ее состава. Поскольку состав может быть выражен набором концентраций всех ее компонентов, то нахождение зависимости свойства системы от ее состава и объяснение результатов оказывается не только трудным, но часто и невозможным делом. Использование мольных долей дает то преимущество, что их сумма равна единице, и, таким образом, концентрации компонентов системы оказываются взаимосвязанными. В ряде социологических и экологических исследований используется подобный подход, хотя сами исследователи об этом часто не догадываются.

Мольная доля N_i компонента i равна отношению числа молей n_i этого компонента к сумме молей (n₁ + n₂ +…+n_i +…+n_k) всех компонентов k раствора:

N_i = n_i / (n₁ + n₂ + … + n_i + … + n_k).

Сумма мольных долей всех компонентов системы (раствора) равна единице.
Ниже мы будем говорить только о двукомпонентных системах – растворах, состоящих из растворителя А и растворенного вещества В. Мольная доля А в таком растворе равна

N_А = n_А / (n_А + n_В).

Мольная доля В равна

N_В = n_В / (n_А + n_В).

Убедитесь, что сумма мольных долей компонентов А и В равна 1.
Обозначим мольную долю растворителя через N_A и растворенного вещества – N_B. Доля поверхности, доступной для испарения растворителя, – S_A равна произведению площади поверхности S раствора на мольную долю растворителя N_A:

S_A = S • N_A.

Скорости испарения и конденсации растворителя равны:

_исп = k_исп • S • N_A, _конд = k_конд • S • р_А.

При равновесии, когда скорости испарения и конденсации равны, имеем:

k_исп • S • N_A = k_конд • S • р_А.

Отношение k_исп/k_конд есть константа равновесия:

К = р_А/N_A.

Откуда р_А = К • N_A.

В полученном выражении константа равновесия К играет роль коэффициента пропорциональности между парциальным давлением растворителя р_А и его мольной долей N_A в растворе. Численное значение коэффициента К определяется подстановкой в это выражение значения давления пара р_А при данной мольной доле N_A.
Если мольная масса растворителя равна единице (N_A = 1), то имеется чистый растворитель, давление насыщенного пара которого при данной температуре равно . Следовательно, для чистого растворителя коэффициент К есть его давление пара, т. е. К = . Подставляя это значение коэффициента К в последнее соотношение, получаем:

Это – выражение закона Рауля (сформулирован в 1887 г.): парциальное давление насыщенного пара растворителя над раствором прямо пропорционально его мольной доле.
Вам здесь встретилось выражение «насыщенный пар». Объясните, что оно означает.

Пример. Изменение содержания растворителя в два раза должно привести к изменению его давления насыщенного пара также в два раза.
Закон Рауля справедлив для идеального газа и идеального раствора. Газ (или насыщенный пар) ведет себя как идеальный газ, если он точно подчиняется закону Клапейрона–Менделеева
(рV = nRT), или, что то же, 1 моль такого газа при нормальных условиях (Т = 273 К или t = 0 °С, р = 101 325 Па или 1 атм) имеет объем 22,4 л. Идеальный раствор – это раствор, в котором силы всех межмолекулярных взаимодействий молекул растворителя и растворенных веществ одинаковы. На свойства такого раствора не влияет, находится ли молекула некоторого компонента в окружении собственных молекул или молекул других компонентов. Идеальный раствор образуется без выделения или поглощения теплоты ( = 0). При образовании идеального раствора его объем в точности равен объемам смешиваемых компонентов. Частицы каждого компонента в идеальном растворе ведут себя независимо от присутствия частиц других компонентов.
В природе не существует ни идеальных газов, ни идеальных растворов. Газы гелий и неон весьма близки к идеальным газам. Чем выше температура и ниже давление, тем поведение газа ближе к поведению идеального газа. Раствор тем ближе к идеальному раствору, чем он разбавленнее.
Давление насыщенного пара растворителя над идеальным раствором меньше, чем над чистым растворителем. Чем выше мольная доля (или концентрация) растворенного вещества, тем ниже давление насыщенного пара растворителя.
Если мы измерим давление пара чистой воды при температуре 20 °С, то оно окажется равным 2333 Па. Если же мы приготовим раствор сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ (сахар) с мольной долей сахарозы 0,1, в котором мольная доля воды будет составлять (1 – 0,1) = 0,9, то давление пара воды должно понизиться до 2333•0,9 = 2100 Па. Это значение верно только для идеального раствора. У реального раствора с высокой концентрацией растворенного вещества давление пара воды будет несколько иным, но мы будем полагать, что имеем дело с идеальными растворами. Точно так же будут себя вести растворы глюкозы С₆Н₁₂О₆, карбамида СО(NН₂)₂ (мочевины) и многих других веществ.

О.С.ЗАЙЦЕВ