Растворы

Раствор для промывания носа ребенку дома

В качестве средства для промывания носа детям рекомендован солевой раствор. Его лучше приобрести в аптеке: специальные препараты на основе морской воды имеют сбалансированный состав. С этим связан ряд нюансов:

Готовые препараты на основе морской воды, такие препараты, как «Сиалор Аква», не требуют подготовки. Промывание можно проводить сразу после вскрытия ампулы. Концентрация соли в нем примерно 6,5 г соли на 1 л воды. Такая невысокая концентрация позволяет избежать неприятных ощущений в виде жжения, ведь детские носики очень чувствительны к избытку соли. Доставив неприятные ощущения однажды, впоследствии будет сложно делать промывание, но с готовым раствором «Сиалор Аква» подобная ситуация исключена — концентрация подобрана оптимально даже для промывания носа грудному ребенку. В упаковке 10 анатомических ампул с морской водой — в каждой разовая доза. Одной вполне достаточно для однократного применения.

Морская вода для промывания носа «Сиалор Аква»

Домашний раствор из поваренной или морской соли для промывания носа детям. На 1 л теплой (не горячей!) кипяченой воды требуется 1 ч. л. соли (поваренной или морской без добавок). Это соответствует 9 г соли на 1 л воды. Состав насыщен солями натрия и хлора, обогащен магнием, цинком, калием, кальцием и нормализует естественную работу клеток. При превышении концентрации соли ощущается жжение — малышу это крайне неприятно, поэтому увеличивать количество соли при приготовлении раствора не стоит, эффективнее он от этого не станет.

Побочными действиями ни один, ни другой состав не обладает, передозировка исключена. При этом готовым средством можно быстро воспользоваться, не сомневаясь в том, насколько сбалансирован его состав. Оно удобно и экономично упаковано — не нужно ни пипетки, ни шприца для орошения.

Массовая доля вещества. Концентрация растворов

Массовая доля растворенного вещества

— это отношение его массы

m

к массе раствора

m



_р-ра

. Ее обозначают буквой ω («омега»).

ω(Х) = m(Х)/

m



_р-ра

(в долях единицы);

ω(Х) = m(Х)• 100%/

m



_р-ра

(в процентах)

Аналогично массовой доле определяется и объемная доля газообразного вещества в газовой смеси, обозначаемая греческой буквой φ («фи»).

φ= V(вещества)/V(смеси)

Концентрация (С)

— это содержание растворенного вещества в единице массы или объема.

Процентная концентрация раствора

— это отношение массы растворенного вещества

m

(в граммах) к массе раствора (в граммах).

Молярная концентрация

— это отношение количества растворенного вещества

n

(в молях) к объему раствора

V

(в литрах). Ее обозначают буквой С.

Гидролиз солей

Попробуйте ответить на вопрос: изменится ли окраска лакмуса в растворе серной кислоты? гидроксида натрия? сульфата натрия? карбоната натрия? В первых двух случаях можно уверенно сказать «да», так как при диссоциации образуются:

ионы водорода (уравнение 1) или гидроксид-анионы (уравнение 2), а индикаторы реагируют именно на избыток ионов Н+ или ОН–. Но при диссоциации упомянутых солей:

ионы Н+ и ОН– не образуются! Тем не менее раствор карбоната натрия изменяет окраску индикатора, а сульфата натрия — нет! Почему? Видимо, причина в том, что ионы карбоната натрия вступают в какую-то реакцию с молекулами воды, ведь только из молекулы воды может образоваться избыток Н+ или ОН–.

Гидролиз солей — это процесс взаимодействия ионов соли с молекулами воды, в результате чего изменяется рН раствора.

Какой ион карбоната натрия реагирует с водой? Предположим, что оба. Тогда в растворе происходят процессы:

Вспомните, что такое «сильный электролит», «слабый электролит», и ответьте на вопрос: какой из этих процессов (А или Б) НЕВОЗМОЖЕН в растворе?

Очевидно, невозможен процесс (А), так как молекул сильного электролита NаОН в растворе НЕТ, есть только ионы Na+ и ОН–, другими словами, связывания ионов не происходит.

Следовательно, происходит процесс (Б), и краткое ионномолекулярное уравнение гидролиза карбоната натрия выглядит так:

pH > 7, среда щелочная, лакмус синий.

И действительно, в растворе карбоната натрия лакмус становится синим. Почему именно карбонат-анион вступает в реакцию гидролиза? Потому что это ион, соответствующий СЛАБОМУ электролиту и в результате его взаимодействия с водой образуется СЛАБЫЙ электролит (вспомните условия протекания ионных процессов).

Вывод. Гидролизу подвергаются соли, содержащие остаток слабого электролита.

Например:

Задание 6.12. Определите, происходит ли гидролиз в растворах хлорида железа (III), силиката натрия, нитрата калия. Ответ поясните.

Алгоритм составления уравнений реакции гидролиза:

1. Определить какие электролиты образуют соль, отметить их силу:

2. Составить уравнение диссоциации соли, подчеркнуть ион, соответствующий слабому электролиту:

3. Для иона слабого электролита составить уравнение реакции взаимодействия с одной молекулой воды (уравнение гидролиза):

1. из молекулы воды притягивается противоположно заряженный нон, в данном случае ОН–;

2. сумма зарядов до и после реакции равна:

4. Определить реакцию среды в образовавшемся растворе: в данном случае образовались ионы Н+, значит, среда кислая, рН< 7.

Вопрос. Какую окраску будет иметь лакмус в этом растворе?

5. Для того чтобы составить молекулярное уравнение реакции гидролиза, следует:

1. дописать к каждому иону ионы, которые образуются при диссоциации, с противоположным зарядом (в данном случае ионы Cl–);

2. составить полученные формулы по валентности (валентность = заряду иона!):

Задание 6.13. Составить уравнения реакций гидролиза для: сульфата алюминия; силиката калия; хлорида натрия; нитрата меди (II); сульфида калия.

Задание 6.14. Как при помощи лакмуса различить бесцветные растворы солей: нитрата свинца (II), сульфата калия, сульфида натрия?

Понятие о рН (водородном показателе)

Вода — очень слабый электролит: при обычных условиях лишь одна молекула воды из 10 000 000 распадается на ионы:

Это уравнение показывает, что при диссоциации 1 моль молекул воды образуется 1 моль ионов водорода Н+ и 1 моль гидроксид-анионов ОН–. Другими словами: в чистой воде концентрация ионов водорода равна концентрации гидроксид-анионов:

Здесь: — равновесная концентрация ионов водорода, моль/л; — равновесная концентрация гидроксид-анионов, моль/л.

Такой раствор (среда) называется «нейтральный».

Характер среды — кислый, нейтральный — можно оценить количественно при помощи рН («пэ-аш»). Водородный показатель рН равен логарифму концентрации ионов водорода, взятому с обратным знаком*:

Поэтому в случае чистой воды рН = 7.

Раствор, у которого рН = 7, называется нейтральным.

Если к чистой воде добавили кислоту, то увеличили концентрацию ионов водорода. Теперь эта концентрация составит, например 10–6 моль/л или 10–2 моль/л.

Такая среда (раствор) называется «кислая», или «кислотная». Причём в первом случае (рН = 6) среда считается слабокислой, а во втором (рН = 2) — сильнокислой, т. е. в любом случае рН < 7. Значение рН можно измерять и с большей точностью (например, рН = 5,36).

pН < 7, среда кислая.

При добавлении щёлочи увеличивается концентрация ионов ОН–, и одновременно уменьшается концентрация ионов Н+. Дело в том, что для любого водного раствора

Поэтому, если концентрация ионов ОН– составит 10–3, то = 10–11, т. е.

рН > 7, среда щелочная.

Определить реакцию среды конкретного раствора можно при помощи индикаторов.

Индикаторы — это вещества, которые изменяют свой цвет в присутствии избытка ионов Н+ или ОН–.

Ионы Н+ или ОН– действуют на молекулу индикатора, и индикатор меняет цвет по-разному в зависимости от реакции среды и вида самого индикатора (табл. 7).

Задание 6.10. Какую окраску будет иметь индикатор лакмус, если:

1. рН < 7;
2. = 10–4 моль/л;
3. в растворе есть избыток ОН–;
4. рН = 7;
5. = 10–8 моль/л;
6. в растворе есть НNО₃;
7. = 0,1 моль/л.

Окраска индикаторов изменяется в растворах, которые содержат избыток одного из этих ионов. Ионы Н+ или ОН– могут образовываться в ходе диссоциации некоторых соединений.

Вопрос. Какие вещества при диссоциации образуют ионы Н+ или ОН–?

Эти ионы могут образовываться при диссоциации растворимых кислот, оснований, некоторых кислых и основных солей. Например, дигидрофосфат натрия образует при диссоциации ионы водорода, а гидрофосфат натрия — нет. Дело в том, что кислые соли могут диссоциировать ступенчато, если полученный на первой стадии анион соответствует сильному электролиту:

остаток слабого электролита → диссоциация не идёт;

остаток сильного электролита → диссоциация идёт:

Образуются ионы Н+, возникает кислая среда.

Кроме того, ионы Н+ или ОН– могут образовываться в ходе взаимодействия некоторых веществ с водой. Например, с водой могут взаимодействовать активные металлы, кислотные и основные оксиды.

Задание 6.11. Какую окраску будет иметь индикатор лакмус, если в воде растворить: кальций, оксид лития, оксид серы (IV)?

Поведение веществ в растворе

Растворение

— это физико-химический процесс. Он сочетает в себе физический процесс (дробление до молекул) и химическое воздействие компонентов (образование в воде непрочных соединений — гидратов). В процессе растворения молекулы воды разрушают кристаллы растворяемого вещества. Это разрушение происходит в месте соприкосновения кристалла с водой. Чем больше площадь поверхности соприкосновения, тем быстрее разрушаются кристаллы. В результате диффузии происходит самопроизвольное распределение частиц одного вещества между частицами другого, что приводит к образованию раствора. Для улучшения контакта вещества с растворителем увеличивают площадь поверхности соприкосновения, вещества измельчают и раствор перемешивают.

В результате химического взаимодействия вещества с водой образуются соединения — гидраты. О химическом взаимодействии говорят такие признаки химических реакций, как тепловые явления при растворении: растворение H

₂

SO

₄

сопровождается выделением тепла, растворение NaCl, NH

₄

NO

₃

— охлаждением. Косвенным доказательством гидратации является существование твердых

кристаллогидратов

— солей, в состав которых входят вода, например медный купорос CuSO

₄

х 5Н

₂

O.

Классификация растворов

Раствор

— гомогенная (однородная) система, состоящая из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия.

Растворы подразделяются на:

•

молекулярные

— водные растворы неэлектролитов — органических веществ (спирт, глюкоза и т. д.);

•

молекулярно-ионные

— растворы слабых электролитов (азотистой, сероводородной кислот и др.);

•

ионные

— растворы сильных электролитов (щелочей, солей, кислот — NaOH, K

₂

SO

₄

, HNO

₃

).

Растворимость многих веществ небезгранична и зависит от температуры.

Насыщенным

называется такой раствор, в котором при данной температуре вещество больше не растворяется. В

ненасыщенном

растворе содержится меньше вещества, а в

перенасыщенном

— больше, чем в насыщенном.

В работе с веществами важно знать их растворимость в воде. Вещество считается

хорошо

растворимым

, если при комнатной температуре в 100 г воды растворяется 1 г этого вещества; если меньше, то вещество считается

малорастворимым

; при растворимости менее 0,001 г —

нерастворимым

.

Виды гидролиза

Мы выяснили, что в составе соли может быть слабый ион, который и отвечает за гидролизацию. Он находится в основании, в кислотном остатке или в обоих компонентах, и от этого зависит тип гидролиза.

Соль с сильным основанием и сильной кислотой

Гидролиз отсутствует. Как вы уже знаете, при наличии сильного основания и сильного кислотного остатка соль не распадается при взаимодействии с водой. Так, например, невозможен гидролиз хлорида натрия (NaCl), поскольку в составе этого вещества нет слабых ионов. К таким же не подверженным гидролизации солям относят KClO₄, Ba(NO₃)₂ и т. д.

Среда водного раствора — нейтральная, т. е. pH = 7.

Реакция индикаторов: не меняют свой цвет (лакмус остается фиолетовым, а фенолфталеин — бесцветным).

Соль со слабым основанием и сильной кислотой

Гидролиз по катиону. Как мы помним, гидролизация происходит только при наличии слабого иона, в данном случае — иона гидроксида. Его катион вступает в реакцию и связывает гидроксид-ионы воды OH−. В итоге образуется раствор с избытком ионов водорода H+.

Среда водного раствора — кислая, pH меньше 7.

Реакция индикаторов: фенолфталеин остается бесцветным, лакмус и метиловый оранжевый — краснеют.

Пример:

Нитрат аммония NH₄NO₃ состоит из слабого основания NH₄OH и сильного кислотного остатка HNO₃, поэтому он гидролизуется по катиону, то есть его катион NH₄+ связывает ионы воды OH−.

Молекулярное уравнение: NH₄NO₃ + H₂O NH₃ · H₂O + HNO₃

Ионное уравнение: NH₄+ + NO₃− + HOH NH₄OH + H+ + NO₃−

Соль с сильным основанием и слабой кислотой

Гидролиз по аниону. Если слабым оказывается ион кислотного остатка, его отрицательно заряженная частица (анион) взаимодействует с катионом водорода H+ в молекуле воды. В итоге получается раствор с повышенным содержанием OH−.

Среда водного раствора — щелочная, pH больше 7.

Реакция индикаторов: фенолфталеин становится малиновым, лакмус — синим, а метиловый оранжевый желтеет.

Пример:

Нитрат калия KNO₂ отличается сильным основанием KOH и слабым кислотным остатком HNO₂, поэтому он гидролизуется по аниону. Другими словами, анион кислоты NO₂− связывает ионы воды H+.

Молекулярное уравнение: KNO₂ + H₂O HNO₂ + KOH

Ионное уравнение: K+ + NO₂− + HOH HNO₂ + K+ + OH−

Гидролиз по катиону и аниону. Если у соли оба компонента — слабые, при взаимодействии с водой в реакцию вступает и анион, и катион. При этом катион основания связывает ионы воды OH− а анион кислоты связывает ионы H+

Среда водного раствора: нейтральная.

Реакция индикаторов: могут не изменить свой цвет.

Пример:

Цианид аммония NH₄CN включает слабое основание NH₄OH и слабую кислоту HCN.

Молекулярное уравнение: NH₄CN + H₂O NH₄OH + HCN

Ионное уравнение: NH₄+ + CN− + HOH NH₄OH + HCN

Среда в данном случае будет нейтральной.

Обобщим все эти сведения в таблице гидролиза солей.

Важно!
При взаимодействии гидрофосфатов с водой среда всегда будет щелочной. Дигидрофосфаты, гидросульфиты и гидросульфаты всегда дают кислую среду, независимо от силы основания

Например, гидросульфит натрия имеет сильное основание и слабую кислоту, исходя из чего можно было бы предположить образование щелочной среды. Но ввиду особенностей диссоциации в водном растворе pH будет меньше 7 (кислая среда).

Ступенчатый гидролиз

Любой из видов гидролиза может проходить ступенчато. Так бывает в тех случаях, когда с водой взаимодействует соль с многозарядными катионами и анионами. Сколько ступеней будет включать процесс — зависит от числового заряда иона, отвечающего за гидролиз.

Как определить количество ступеней:

• если соль содержит слабую многоосновную кислоту — число ступеней равняется основности этой кислоты;

• если соль содержит слабое многокислотное основание — число ступеней определяют по кислотности основания.

Для примера рассмотрим гидролиз карбоната калия K₂CO₃. У нас есть двухосновная слабая кислота H₂CO₃, а значит, гидролизация пройдет по аниону в две ступени.

I ступень: K₂CO₃+HOH KOH+KHCO₃, итогом которой стало получение гидроксида калия (KOH) и кислой соли (KHCO₃).

II ступень: KHCO₃+HOH KOH+H₂CO₃, в итоге получился тот же гидроксид калия (KOH) и слабая угольная кислота (H₂CO₃).

Для приблизительных расчетов обычно принимают в учет только результаты первой ступени.

Важно!
Определить среду водного раствора, получившегося в результате гидролиза кислых солей, бывает непросто. В данном случае кроме гидролизации одновременно идет диссоциация аниона соли, и какой будет среда — зависит от преобладания того или иного процесса

Если преобладает гидролиз — среда щелочная, если диссоциация — кислая.

Теории растворов и механизм растворения

Известны две основные теории Р. Физическая теория, разработанная в последней четверти 19 в. Я. Вант-Гоффом и С. Аррениусом, рассматривает растворитель как химически индифферентную среду, в к-рой равномерно распределены частицы (молекулы, ионы) растворенного вещества. При этом предполагается отсутствие межмолекулярного взаимодействия как между самими частицами растворенного вещества, так и между ними и молекулами растворителя. С позиций физической теории удалось объяснить ряд свойств разбавленных Р.— понижение давления пара (см. Рауля закон), понижение температуры замерзания (см. Криометрия), повышение температуры кипения (см. Эбуллиометрия) и такое явление, как осмотическое давление (см.) Р. Эти свойства, называемые коллигативными, или осмотическими, свойствами Р., зависят только от концентрации частиц растворенного вещества, но не от их природы. Однако физическая теория оказалась несостоятельной при объяснении ряда свойств Р., особенно свойств концентрированных Р.

Химическая, или сольватная, теория Р. предложена Д. И. Менделеевым в 1887 г. Согласно этой теории, между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя происходит взаимодействие, в результате к-рого образуются нестойкие соединения переменного состава, называемые сольватами или гидратами — в тех случаях, когда растворителем является вода (см.). Главную роль в образовании сольватов играют не валентные связи, а менее прочные межмолекулярные силы и водородные связи (см. Молекула). Сольватная теория дала возможность объяснить изменение ряда свойств Р. (плотности, вязкости, удельной теплоемкости и др.) с изменением их концентрации, тепловые эффекты, наблюдаемые при растворении, и др. Необходимо отметить, что физическая и химическая теории Р. не исключают, а дополняют друг друга.

Механизм растворения в общих чертах состоит в следующем. При внесении в растворитель (напр., воду) растворяемого вещества его молекулы или ионы подвергаются гидратации (см.), отрываются от растворяемого вещества и вследствие диффузии равномерно распределяются по всему объему Р. Одновременно с растворением протекает и обратный процесс — выделение молекул или ионов из Р. и переход их в состав еще не растворившегося вещества. Скорость выделения растворенного вещества, пропорциональная его концентрации в Р., в начале процесса равна нулю, но по мере растворения вещества непрерывно возрастает. По истечении нек-рого времени скорости двух противоположно направленных процессов становятся равными друг другу. С этого момента между избытком нерастворившегося вещества и Р. устанавливается динамическое равновесие, при к-ром при неизменных внешних условиях концентрация Р., называемого в данном случае насыщенным, и количество нерастворившегося вещества остаются постоянными.

Процесс растворения сопровождается выделением или поглощением теплоты. Этот эффект растворения складывается из теплоты, необходимой для отрыва молекул или ионов от растворяемого вещества и равномерного распределения их по всему объему Р., и из теплоты гидратации (сольватации) частиц растворяемого вещества. Поскольку первый из этих процессов происходит с поглощением, а второй с выделением теплоты, тепловой эффект растворения может быть как положительным (выделение теплоты), так и отрицательным (поглощение теплоты).

6.1. Классификация растворов window.top.document.title = «6.1. Классификация растворов»;

Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или более веществ (компонентов).

По характеру агрегатного состояния растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Обычно компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считают растворителем, остальные составляющие раствора – растворенными веществами. В случае одинакового агрегатного состояния компонентов растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе.

В зависимости от размеров частиц растворы делятся на истинные и коллоидные. В истинных растворах (часто называемых просто растворами) растворенное вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня, частицы растворенного вещества не видимы ни визуально, ни под микроскопом, свободно передвигаются в среде растворителя. Истинные растворы – термодинамически устойчивые системы, неограниченно стабильные во времени.

Модель 6.1. Растворение хлорида натрия

Движущими силами образования растворов являются энтропийный и энтальпийный факторы. При растворении газов в жидкости энтропия всегда уменьшается ΔS < 0, а при растворении кристаллов возрастает (ΔS > 0). Чем сильнее взаимодействие растворенного вещества и растворителя, тем больше роль энтальпийного фактора в образовании растворов. Знак изменения энтальпии растворения определяется знаком суммы всех тепловых эффектов процессов, сопровождающих растворение, из которых основной вклад вносят разрушение кристаллической решетки на свободные ионы (ΔH > 0) и взаимодействие образовавшихся ионов с молекулами растворителя (сольтивация, ΔH < 0). При этом независимо от знака энтальпии при растворении (абсолютно нерастворимых веществ нет) всегда ΔG = ΔH – T·ΔS < 0, т. к. переход вещества в раствор сопровождается значительным возрастанием энтропии вследствие стремления системы к разупорядочиванию. Для жидких растворов (расплавов) процесс растворения идет самопроизвольно (ΔG < 0) до установления динамического равновесия между раствором и твердой фазой.

Концентрация насыщенного раствора определяется растворимостью вещества при данной температуре. Растворы с меньшей концентрацией называются ненасыщенными.

Растворимость для различных веществ колеблется в значительных пределах и зависит от их природы, взаимодействия частиц растворенного вещества между собой и с молекулами растворителя, а также от внешних условий (давления, температуры и т. д.)

В химической практике наиболее важны растворы, приготовленные на основе жидкого растворителя. Именно жидкие смеси в химии называют просто растворами. Наиболее широко применяемым неорганическим растворителем является вода. Растворы с другими растворителями называются неводными.

Растворы имеют чрезвычайно большое практическое значение, в них протекают многие химические реакции, в том числе и лежащие в основе обмена веществ в живых организмах.