Неорганика. Закон сталості cкладу

• Название: Закон сталості cкладу
• Дата: 12.01.2023
• Размер: 0.55 Mb.
• Имя файла: Неорганика.docx
• Тип: Закон; #884028
• страница: 3 из 12

Фізичні властивості

Чиста вода — безбарвна прозора рідина, без запаху і смаку. На землі вода існує в трьох агрегатних станах — твердому, рідкому тагазоподібному. За нормального атмосферного тиску при 0°С вона замерзає і перетворюється у лід, а при 100°С — кипить, перетворюючись упару. У газоподібному стані вода існує і за нижчої температури, навіть нижче 0°С. Тому лід і сніг теж поступово випаровуються.

У рідкому стані вода практично не стискається, при замерзанні розширюється на 1/11 від свого об'єму.

Найбільшу густину вода має при +4°С. Масу 1 см³ чистої води при цій температурі прийняли за одиницю і назвали грамом (сучасне визначення грама основане на точнішому еталоні). На відміну від інших рідин, вода при охолодженні від + 4 до 0°С розширюється. Тому лід легший від води (на 8%) і не тоне у ній. Завдяки цьому, а також малій теплопровідності шар льоду захищає глибокі водойми від промерзання до дна, і цим забезпечується у них життя.

Потрійна точка води, тобто умови, за яких одночасно у рівноважному стані можуть співіснувати вода, лід та пара, реалізується при температурі0,01 °C і тиску 611,73 Па. Значення 0,01 °C точне — на ньому основане визначення одиниці вимірювання температури в Міжнародній системі (СІ), кельвіна. Проте відповідно до запропонованих змін у СІ, коли значення сталої Больцмана та числа Авогадро буде зафіксовано, температура потрійної точки води буде визначатися з похибкою.

Вода характеризується великою питомою теплоємністю, що дорівнює за означенням калорії 1 кал/г-град. Завдяки цьому температура океанів і морів змінюється досить повільно, і цим регулюється температура на поверхні земної кори. Цим пояснюється також те, що клімат на островахрівномірніший, ніж на материках.

Фізичні властивості води великою мірою зумовлені тим, що її молекули мають значний дипольний момент (1,844 Дебая). Оскільки атоми Оксигену є більш електронегативними, ніж атоми Гідрогену, вони відтягують на себе електронну густину ковалентних зв'язків у молекулах води. Через це на перших (O) виникає частковий негативний заряд (2δ^-), а на других (H) — вдвічі менший за значенням позитивний заряд (δ⁺). Внаслідок електростатичного притягування між атомами Гідрогену й Оксигену сусідніх молекул води, між ними формується водневий зв'язок^[2]. Завдяки такій взаємодії конденсація води відбувається при порівняно високій температурі. Так, наприклад, набагато важчі молекули кисню івуглекислого газу при цих температурах конденсованої фази не утворюють.

У будь-який момент часу в рідкій воді більшість молекул утворюють водневі зв'язки, проте час життя кожного з них дуже короткий (від 1 до 20 пс). Після руйнування одного зв'язку наступний, із тим же або іншим партнером, утворюється приблизно через 0,1 пс. Тимчасові групи молекул води, сполучених між собою водневими зв'язками, називають «кластерами, що мигають». Сила водневих зв'язків досить невелика (енергія розриву 23 кДж/моль), проте вони дуже суттєво впливають на властивості води, через їх велику кількість^[2].

Завдяки своїй формі молекули води можуть сполучатись водневими зв'язками із чотирма іншими. Саме таким чином вони організовані у кристалах льоду. Проте в рідкій воді молекули менш впорядковані і перебувають у стані постійного руху, тому середня кількість зв'язків, що утворюються кожною із них, в будь-який момент часу становить 3,6^[2].

Роль

Водне́вий зв'язо́к — різновид хімічного зв'язку, що реалізується за донорно-акцепторним механізмом між двома ковалентно зв'язаними атомами з великим значенням електронегативності (О, N, F) за посередництвом атома Гідрогену Н.

Водневий зв'язок є прикладом трицентрового чотириелектронного зв'язку.

Прослідковується певна аналогія між водневим та ковалентним зв'язком. Зокрема, водневий зв'язок є направленим та насичуваним, що вказує на його резонансну природу (на противагу електростатичній природі йонного зв'язку). Висувається припущення, що йон H⁺ завдяки своїм унікальним властивостям (він фактично є єдиною частинкою — протоном) виступає аналогом електронної пари в класичному ковалентному зв'язку, тільки з протилежним знаком.

За величиною енергії він на порядок слабший за ковалентний зв'язок. Наприклад, у рідкій воді енергія розриву водневого зв'язку становить 23 кДж/моль, для порівняння енергія розриву ковалентного O—H зв'язку — 470 кДж/моль^[1].

Розрізняють міжмолекулярний та внутрішньомолекулярний водневий зв'язок.

Водневий зв'язок є важливим для органічної хімії. Завдяки водневому зв'язку вода (головний розчинник у неорганічній хімії та біохімії) має високу температуру плавлення і кипіння. Водневий зв'язок з'єднує подвійну спіраль ДНК (носія генетичної інформації), а також відповідає за формування вторинної і третинної структури білків.

Із встановленням наявності водневого зв'язку в структурі речовини пов'язані певні труднощі, оскільки атом водню важко локалізувати за допомогою стандартного рентгеноструктурного аналізу через його надзвичайно малу відносну масу. Існує кілька критеріїв встановлення водневого зв'язку:

1) структурний (за скороченими відстанями між електронегативними атомами та характерними валентними кутами);

2) спектроскопічний (за низькочастотним зсувом та уширенням смуг поглинання в ІЧ спектрах, що відповідають зв'язкам E-H; за уширенням піків в ¹H ЯМР спектрах).

В останні роки крім класичного водневого зв'язку виділяють слабкий водневий зв'язок, сильний водневий зв'язок та симетричний водневий зв'язок.

Жорсткість води визначають за кількістю солей кальцію і магнію в ній. Якщо вода містить значні кількості таких солей, то таку воду називають жорсткою, а коли цих солей зовсім немає, або вони містяться в незначних кількостях, то — м'якою.

Відрізняють тимчасову, або карбонатну, жорсткість води і сталу. Тимчасова жорсткість обумовлюється наявністю кислих карбонатів (гідрокарбонатів) кальцію і магнію: Ca(HCO₃)₂ і Mg(HCO₃)₂, а стала — наявністю сульфатів і хлоридів кальцію і магнію: CaSO₄, MgSO₄, CaCl₂ і MgCl₂. Загальна жорсткість води являє собою суму тимчасової і сталої жорсткості.

Жорстка вода непридатна майже для всіх галузей виробництва. Так, наприклад, жорстку воду не можна використовувати для прання білизни, миття шерсті і фарбування тканин, бо в ніймило втрачає свою мийну здатність. Це пояснюється тим, що розчинний у воді стеарат натрію С₁₇Н₃₅COONa, який становить головну складову частину мила, переходить у нерозчинний стеарат кальцію (або магнію), утворюючи так зване кальцієве (або магнієве) мило:

• 
  2С₁₇Н₃₅COONa + CaSO₄ = Са(С₁₇Н₃₅СОО)₂ ↓ + Na₂SO₄
  

При цьому мильна піна утворюється тільки після повного осадження іонів кальцію і магнію, на що непродуктивно витрачається багато мила. Крім того, утворюваний осад кальцієвого і магнієвого мила міцно осідає на волокнах тканин і забруднює їх, а при фарбуванні утворює плями.

Жорстка вода непридатна і для цілого ряду інших виробництв: паперового, шкіряного, крохмального, спиртового тощо. Вона непридатна і для паросилового господарства, бо при кип'ятінні води утворюється накип, який погано проводить тепло, внаслідок чого збільшується витрата палива. Накип викликає інтенсивне руйнування стінок котлів, що може призвести до аварії.

Для приготування їжі жорстку воду теж не вживають, бо в ній погано розварюються м'ясо і овочі. Для пиття вона теж непридатна.
Пом’якшення

Пом'якшення води (рос. смягчение воды; англ. water softening; нім. Wasserenthärtung f — обробка води, що надходить із природного джерела у різні технологічні процеси.

Мета пом'якшення води — видалення з неї йонів кальцію та магнію, що зумовлюють головним чином твердість води, яка може бути усунена методами осадження та катіонування. Осадження базується на переведенні кальцію та магнію в важкорозчинні сполуки, які випадають в осад, що може бути здійснено термічним або хімічним шляхом.

Термічне пом'якшення води базується на розпаді гідрокарбонатів кальцію та магнію при підігріванні води з утворенням важкорозчинних речовин СаСО₃ та Mg(ОН)₂.

Хімічне пом'якшення води базується на введені в неї реагентів, що збагачують її СО₃^2- та ОН^-, у результаті чого утворюються важкорозчинні речовини СаСО₃ та Mg(ОН)^2-: вода обробляється гідроксидом кальцію (вапном) та карбонатом натрію (содою) при температурі 80—90°С, а також або гідроксидом натрію, або розчином фосфатів.

Катіонування основане на фільтрації води через шар катіонітів, при якому проходить заміщення іонів кальцію та магнію на іони натрію, водню або амонію, що містяться в твердій фазікатіоніту. Як катіоніти в основному застосовують сульфовугілля, катіонообмінні смоли на основі кополімерів стиролу та дивінілбензолу, які оброблені сірчаною та хлорсульфоновою кислотами і підлягають потім окисному гідролізу.
10.

Розчини, їх характеристика. Насичені розчини. Способи вираження концентрації розчинів.
Поняття про розчини

 

Розчини є одним із різновидів дисперсних систем (від лат. disperse — розсіювати, розсипати). Усі дисперсні системи складаються з дисперсійного середовища (розчинника) та дисперсної фази (розчиненої речовини). Залежно ж від того, в якому агрегатному стані й у якому ступені роздрібнення (дисперсності) речовини входять до складу дисперсних систем, їх можна поділити на тверді, рідкі або газоподібні розчини, справжні, колоїдні розчини, суспензії, зависі тощо.
Насичення розчинів

Насичений розчин
У певній кількості води при даній температурі може розчинятися лише певна кількість речовини, а надлишок її залишається нерозчинним. Розчин, у якому взята речовина при даній температурі більше не розчиняється, називається насиченим.

При виготовленні насиченого розчину до розчинника додають звичайно таку кількість розчинюваної речовини, щоб частина її залишалася нерозчинною, скільки б розчин не розмішували і не збовтували. Однак у практиці звичайно користуються ненасиченими розчинами, тобто такими, в яких при даній температурі розчинювана речовина може ще розчинятися (до утворення насиченого розчину).
Властивості

Розчини характеризуються також рядом певних властивостей, відмінних від властивостей їх складових частин. Зокрема, вони відрізняються від своїх складових частин густиною, температурою замерзання і кипіння і іншими властивостями. Існує ряд властивостей розчинів, які залежать від концентрації, але не від природи розчинених речовин, такі властивості називаються колігативними. Розчини можуть бути в рідкому, твердому і газоподібному стані. Прикладом перших можуть служити розчини цукру, солі і спирту у воді. Тверді розчини — це різні металічні сплави: міді або срібла в золоті, нікелю в міді тощо. Газоподібними розчинами є суміші різних газів, наприклад повітр

 Способи вираження концентрації розчинів.

Найчастіше застосовують наступні способи:

        масова частка;

        об’ємна частка;

        молярна концентрація;

        мольна частка;

        моляльна концентрація;

        титр розчину.

Масовачастка–це відношення маси розчиненої речовини до маси розчину. Виражається в частці від 1 або в %:

W=m_{(розч.реч-ни)}/m_(р-ну)100%

 

Об’ємна частка -це відношення об’єму розчиненої речовини до об’єму розчину. Виражається в частці від 1 або в %:

W_V=V_реч/V_заг100%

 

У фармації застосовують іноді масово-об’ємну частку – це відношення маси розчиненої речовини до об’єму розчину.

W=m_реч/V_розч100%

 

Молярність(молярна концентрація) – це число молів розчиненої речовини в 1 л розчину. Виражається в моль/л:

(М)С_М=n_{(реч, моль)}/_{Vроз – ну} (моль/л)

 

нормальність (нормальна концентрація) -це число еквівалентів розчиненої речовини в 1л розчину. Нормальність позначають N і вимірюють в молях на літр: N, моль/л.

N=n_(еквів)/V_р-ну, моль/л

Доповнення до закону еквівалентів: якщо дві речовини 1 і 2 взаємодіють між собою, то для їх розчинів з концентраціями N₁ і  N₂ характерна рівність:

N₁ V₁  = N₂ V₂

Де N₁ і  N₂ – нормальності розчинів речовин 1 і 2, які взаємодіють між собою;

V₁ і V₂ – об’єми розчинів речовин 1 і 2.

Знаючи, нормальність і об’єм однієї речовини, а також об’єм іншої речовини, що вступає в реакцію з першою, можна розрахувати її нормальність:

N₂=N₁V₁/V₂

 

Мольначастка– це відношення числа молів розчиненої речовини до загального числа молів розчину (розчинника і розчиненої речовини). Якщорозчин складається з двох компонентів – розчиненої речовини і розчинника, то мольна частка розчиненої речовини:

Х₁=n₁/n1+n₂

 

Де n₁, n₂ – кількості молів розчиненої речовини у розчині і розчинника відповідно.

Моляльнаконцентрація (моляльність)– це кількість молів розчиненої речовини в 1 кг розчинника. Позначається :

m=n_(реч)/V_р-ну, (г/мл, г/л)

 

Титр розчину – це число грамів розчиненої речовини в 1 мл розчину

Т =m_(реч)/V_р-ну, (г/мл, г/л).

 
11.

Розчинність. Осмотичний тиск. Дифузія.
Розчинністю речовини називають здатність її розчинятися в тому чи іншому середовищі. Мірою розчинності або коефіцієнтом розчинності служить кількість грамів речовини, яка при даній температурі розчиняється в 100 г води з утворенням насиченого розчину