Среди веществ, с которыми мы сталкиваемся в повседневной практике, очень немногие можно назвать чистыми. Большинство из этих веществ представляют собой смеси. Многие такие смеси являются гомогенными (однородными), т. е. составляющие их компоненты равномерно (на молекулярном уровне) распределены по всему объему. В окружающем нас мире можно найти много примеров растворов. Воздух, которым мы дышим, представляет собой гомогенную смесь нескольких газообразных веществ. Компонент раствора, сохраняющий свое фазовое состояние при образовании раствора, называется растворителем. Если все компоненты раствора до перемешивания находятся в одинаковой фазе, то растворителем называют тот компонент, который содержится в наибольшем количестве; остальные компоненты раствора называют растворенными веществами.
Концентрацию раствора можно охарактеризовать качественно или количественно. Для количественного описания концентрации используются такие понятия, как разбавленный и концентрированный раствор. О растворе с относительно низкой концентрацией растворенного вещества принято говорить как о разбавленном растворе, а о растворе с относительно высокой концентрацией — как о концентрированном растворе.
Количество вещества, растворенного в заданном количестве растворителя или раствора, выражают через концентрацию. При обсуждении стехиометрии растворов чаще всего применяется молярная концентрация, или молярность. Молярную концентрацию (обозначается М) раствора определяют как число молей вещества, растворенного в литре раствора:
Число молей растворенного вещества
Молярная концентрация =——————————————————————- .
Объем раствора в литрах
Например, в каждом литре 1.50 молярного раствора (пишется 1.50 М) содержится 1.50 моля растворенного вещества. Чтобы приготовить 1 литр 0.150 М раствора сахарозы С12Н22О11 в воде, нужно взять 0.150 моля С12Н22О11. Это количество твердой сахарозы (51.3 г) сначала растворяют в менее чем 1 литре воды, а затем полученный раствор разбавляют до окончательного объема 1 литр.
Удобство выражения концентрации растворов в молях на литры заключается в том, что, измерив объем раствора известной концентрации, можно сразу же установить содержащееся в нем число молей растворенного вещества. С помощью молярной концентрации объем можно перевести в моли или массу в объем. Это положение проиллюстрируем переводом объема в моли на примере вычисления числа молей HNO3 в 2 литрах раствора HN03:
Число моль HN03 = 2.0л раствора • 0.200 Моль HNQ3 = 0.44моль HN03
1л раствора
Использование молярной концентрации при переходе от молей к объему можно проиллюстрировать на примере вычисления объема 0.30 М раствора HNO3, в котором содержится 2.0 моля HNO3:
П л 1 л раствора 0 _
Число литров раствора = 2.0 моль HNO3 ——————— Тт_тгч = 6.7л раствора
0.30 мольШЧОз
В данном случае для перехода от заданного числа молей к объему раствора пришлось воспользоваться величиной, обратной молярной концентрации:
Число литров раствора = число молей •
Моль/л *
Проще всего выразить концентрацию раствора в виде процентной концентрации. Математическое определение процентной концентрации компонента раствора дается уравнением
Масса компонента в растворе — ллПУ
Процентная концентрация =——————————————————— 100/о.
Суммарная масса раствора
Мольная доля компонента раствора определяется по формуле:
Число молей компонента
Мольная доля компонента раствора =————————————————————- .
Суммарное число молей всех компонентов
Моляльная концентрация, или моляльность, раствора (обозначается символом га) определяется как число молей растворенного вещества в килограмме растворителя, а размерность этой концентрации обозначается Мл.
Число молей растворенного вещества
Моляльность =————————————————————— ————- .
Масса растворителя (кг)
В результате химических реакций одни вещества с известными свойствами превращаются в другие вещества с новыми свойствами. Такие реакции происходят, например, в цилиндре ДВС, в котором сгорает (окисляется) топливо. До сгорания в цилиндре находится смесь углеводородного топлива и воздуха, представляющая собой смесь газов. После сгорания топлива в цилиндре образуется другая по составу смесь газов. В результате таких реакций выделяется энергия в тепловой форме.
Вместе с тем эффективность работы ДВС зависит от скорости протекания таких реакций. Поэтому требуется знать факторы, которые могут увеличивать или уменьшать скорость протекания реакции.
В настоящее время экологические проблемы, вызванные массовым использованием в наземном транспорте ДВС, поставили проблему и перед химиками в поиске более совершенных способов осуществления реакций окисления топлива в цилиндре ДВС с выделением минимального количества загрязняющих веществ.
Область химии, занимающаяся скоростью протекания химических реакций, называется кинетикой.
Скорость протекания любого процесса определяют по тем изменениям, которые происходят за рассматриваемый промежуток времени. Например, скорость движения автомобиля оценивают изменением его положения в пространстве в течение некоторого промежутка времени. Подобно этому скорость реакции выражают через изменение концентрации реагента или продукта за определенное время обычно в таких единицах, как молярная концентрации (молярность) в секунду (М/с, моль (л-с)).
В качестве примера рассмотрим реакцию, которая происходит при смешении бутилхлорида С4Н9С1 с водой. В результате этой реакции образуется бутиловый спирт С4Н9ОН и соляная кислота:
С4Н9С1(ж.) + Н20(ж.) С4Н9ОН(водн.) +НС1(водн.) (13.1)
Допустим, что вначале образуется 0.001 М раствор C4H9CI в воде и начинается измерение концентрации С4Н9С1 в растворе в различные моменты времени после смешения бутилхлорида с водой. Результаты измерения приведены ниже:
|
Время, с |
[C4H9CI], МОЛЬ Л |
_ моль Средняя скорость, ——— Л-с |
|
0 |
0.1000 |
|
|
50 |
0.095 |
1.90 — ИГ4 |
|
100 |
0.0820 |
1.70-Ю"4 |
|
150 |
0.0741 |
1.58-ИГ4 |
|
200 |
0.0671 |
1.40 ИТ4 |
|
300 |
0.0549 |
1.22 • 10"4 |
|
400 |
0.0448 |
1.01 • 10"4 |
|
500 |
0.0368 |
0.80 ИГ4 |
|
800 |
0.0200 |
0.56 ИГ4 |
|
1000 |
0 |
Среднюю скорость реакции определяют по изменению концентрации С4Н9С1 за соответствующий промежуток времени по формуле:
Изменение концентрации C4H9CI ДГС4Н9С1]
Средняя скорость = ————————————————————— =————- ———
Соответствующий промежуток времени Дь
(13.2)
Химическая формула С4Н9С1, взятая в квадратные скобки, обозначает концентрацию указанного вещества; греческая буква Д означает изменение стоящей за ней величины; [С4Н9С1] — это изменение концентрации С4Н9С1:
Д[С4Н9С1] = [С4Н9С1]кон — [С4Н9С1]нач. (13.3)
Точно также через At выражают соответствующий промежуток времени. Отрицательный знак в правой части выражения (13.1) указывает, что концентрация С4Н9С1 уменьшается со временем.
Из данных, приведенных выше, видно, что за первый промежуток времени, равный 50 секунд, концентрация С4Н9С1 уменьшилась с 0.1000 М
До 0.0905 М. Следовательно, средняя скорость реакции за этот промежуток времени составляет:
(0.0905 — 0.1000) М,
Средняя скорость = — ——— ——-г—-— = 1.90 •
|
_4 МОЛЬ Л-С |
|
10 |
(50 — 0) с
Аналогичным образом можно вычислить скорости за другие промежутки времени. Приведенные выше данные показывают, что средняя скорость протекания реакции с течением времени уменьшается. В некоторый момент времени реакция прекращается, то есть после этого момента времени концентрации реагентов не изменяются.
Для наглядности изменение скорости протекания реакции с течением времени представляют графически (рис. 13.1). С помощью графика можно определить мгновенную скорость реакции, т. е. скорость реакции в конкретный момент времени, а не среднюю скорость за соответствующий промежуток времени. Мгновенная скорость определяется наклоном касательной к кривой скорости в интересующий момент времени. На рис. 13.1 изображены две касательные к графику: одна для T = 0, а другая —для T = 600 с. Например, для T = 600 с имеем:
(0.017 —0.042) М л—5 моль
Мгновенная скорость = — —— = 6.2 • 10 ———————-
^ (800 — 400)с л-с
Для простоты мгновенную скорость называют просто скоростью реакции.
Независимо от того, определяется мгновенная или средняя скорость протекания реакции, необходимо знать, по какому веществу следует проводить ее измерение. В реакции
2Н1(Г.)-+Н2(Г.) + 12(Г.)
Можно измерять либо скорость расходования HI, либо скорость образования продуктов Н2 или 12. Поскольку на 2 моль HI образуется по одному
Моль или 12, это означает, что скорость исчезновения HI вдвое больше скорости образования Н2 или 12: