Презентация на тему «Растворы и растворимость»

Слайд 1. Растворы и растворимость

• Строение растворов, механизм растворения, количественные законы растворимости и способы выражения концентрации

Доклад: Здравствуйте! Тема нашей презентации — растворы и растворимость, один из центральных разделов общей химии. Мы разберём, что такое раствор с точки зрения современной науки, как устроен механизм растворения и какими законами он описывается. Особое внимание уделим количественной стороне: растворимости, концентрации и коллигативным свойствам.

Слайд 2. Содержание

• Введение
• Раствор и его компоненты
• Что происходит при растворении
• Классификация растворов
• Механизм растворения: гидратация ионов
• Энергетика растворения
• Две теории растворов
• Растворимость как количественная мера
• От ненасыщенного раствора к пересыщенному
• Вещества по растворимости в воде
• Растворимость твёрдых веществ и температура
• Растворимость газов и закон Генри
• Способы выражения концентрации
• Приготовление раствора заданной концентрации
• Коллигативные свойства растворов
• Электролиты и неэлектролиты
• Кристаллогидраты
• Растворы в природе и технике
• Учёные, создавшие учение о растворах
• Выводы
• Список литературы

Доклад: Логика изложения такая: сначала вводим понятия и классификацию, затем переходим к механизму и энергетике растворения. Далее — количественные характеристики: растворимость, её зависимость от температуры и давления, способы выражения концентрации. Завершаем практическими приложениями и вкладом учёных, создавших учение о растворах.

Слайд 3. Введение

• Растворы — самая распространённая форма существования веществ в природе и технике: морская вода, кровь, желудочный сок, почвенный раствор, минеральные воды.
• Подавляющее большинство химических реакций в лаборатории, в производстве и в живом организме идёт именно в растворах, а не между сухими веществами.
• Без представлений о растворимости невозможно рассчитать дозу лекарства, подобрать электролит для аккумулятора или очистить сточные воды.
• Тема связывает три раздела химии: строение вещества, термодинамику и химическую кинетику, поэтому она базовая для всего курса общей химии.

Доклад: Растворы окружают нас повсюду: морская вода, кровь, желудочный сок, почвенный раствор — всё это растворы. Подавляющее большинство химических реакций идёт не между сухими порошками, а именно в растворах, где частицы получают свободу движения. Поэтому без понимания растворимости невозможно рассчитать ни дозу лекарства, ни состав электролита, ни схему очистки сточных вод.

Слайд 4. Раствор и его компоненты

• Раствор — однородная (гомогенная) система переменного состава из двух и более веществ и продуктов их взаимодействия.
• Растворитель — компонент, который взят в избытке и сохраняет своё агрегатное состояние; чаще всего это вода.
• Растворённое вещество — компонент, распределённый в растворителе в виде молекул, ионов или ассоциатов.
• Сольват (гидрат) — соединение частицы растворённого вещества с молекулами растворителя (воды).
• Концентрация — количественная характеристика состава раствора, доля или количество растворённого вещества.

Доклад: Начнём с терминов, которыми будем пользоваться дальше. Раствор — это гомогенная система переменного состава, и слово «переменного» здесь принципиально: в отличие от химического соединения, состав раствора можно менять непрерывно. Растворителем считают компонент, взятый в избытке и сохранивший своё агрегатное состояние, а продукт взаимодействия частицы вещества с водой называют гидратом.

Слайд 5. Что происходит при растворении

• Кристалл поваренной соли, попавший в воду, постепенно разрушается: частицы с поверхности переходят в жидкость и равномерно распределяются по всему объёму.
• Растворение — процесс двусторонний: одновременно идёт переход частиц в раствор и обратное осаждение их на кристалл.
• Когда скорости растворения и кристаллизации сравниваются, наступает динамическое равновесие — раствор становится насыщенным.
• Признаки химического взаимодействия видны сразу: изменение объёма смеси, разогрев или охлаждение, появление окраски.

Доклад: Посмотрите на знакомую всем картину: ложка соли высыпается в стакан воды. На самом деле здесь идут сразу два встречных процесса — частицы уходят с поверхности кристалла в раствор и одновременно осаждаются обратно. Когда скорости этих процессов сравниваются, наступает динамическое равновесие, и раствор становится насыщенным.

Слайд 6. Классификация растворов

• Растворы делят по нескольким независимым основаниям, и одно и то же вещество может попадать в разные группы по разным признакам.
• Жидкие
• Твёрдые
• Газообразные
• Истинные
• Коллоидные
• Взвеси
• Разбавленные
• Концентрированные
• Насыщенные
• Водные
• Спиртовые
• Неводные

Доклад: Растворы классифицируют по нескольким независимым основаниям, и это важно не путать. По агрегатному состоянию бывают жидкие, твёрдые и газообразные растворы — сплавы и воздух тоже растворы. По размеру частиц различают истинные растворы, коллоидные системы и грубые взвеси, а по содержанию вещества — разбавленные, концентрированные и насыщенные.

Слайд 7. Механизм растворения: гидратация ионов

• Молекула воды полярна: у атома кислорода избыточный отрицательный заряд, у атомов водорода — положительный, поэтому вода активно взаимодействует с ионами.
• Диполи воды ориентируются у поверхности кристалла, притягиваются к ионам противоположным полюсом и ослабляют связи в кристаллической решётке.
• Оторванный ион окружается прочной оболочкой из молекул воды — образуется гидратированный ион, который уже не возвращается в решётку.
• Именно поэтому вода растворяет ионные и полярные вещества, но почти не растворяет неполярные — работает правило «подобное растворяется в подобном».

Доклад: Теперь заглянем на уровень частиц. Молекула воды полярна, поэтому её диполи ориентируются у поверхности кристалла и притягиваются к ионам противоположным полюсом. Связи в решётке ослабевают, ион отрывается и сразу окружается прочной гидратной оболочкой — обратно в кристалл он уже не возвращается. Отсюда и правило «подобное растворяется в подобном».

Слайд 8. Энергетика растворения

• Растворение гидроксида натрия сильно разогревает воду: энергия гидратации больше энергии решётки.
• Растворение нитрата аммония охлаждает стакан до нуля — на этом основаны аптечные охлаждающие пакеты.
• Знак теплового эффекта объясняет, почему одни соли лучше растворяются при нагревании, а другие — хуже.
• Разрушение решётки — разрыв связей между частицами кристалла, всегда требует затрат энергии
• Гидратация частиц — образование связей ион–вода, всегда сопровождается выделением энергии
• Тепловой эффект растворения — алгебраическая сумма двух стадий: раствор нагревается или охлаждается

Доклад: Растворение всегда складывается из двух стадий с противоположным знаком энергии. Разрушение кристаллической решётки требует затрат, а гидратация частиц энергию выделяет; итоговый тепловой эффект — их алгебраическая сумма. Проверить это просто: гидроксид натрия сильно разогревает воду, а нитрат аммония охлаждает стакан почти до нуля — именно на этом работают аптечные охлаждающие пакеты.

Слайд 9. Две теории растворов

• В конце XIX века спорили две школы: одна считала раствор механической смесью, другая — химической системой. Современная теория объединила обе точки зрения.
• Раствор — механическая смесь, растворитель играет роль инертной среды.
• Растворённое вещество ведёт себя подобно газу, заполняющему объём.
• Хорошо объясняет осмотическое давление и понижение температуры замерзания.
• Не объясняет тепловые эффекты и изменение объёма при смешивании.
• Раствор — система неустойчивых химических соединений вещества с растворителем.
• Доказательства: выделение и поглощение теплоты, сжатие объёма, окрашивание.
• Прямое подтверждение — существование кристаллогидратов постоянного состава.
• Не даёт простых количественных формул для разбавленных растворов.

Доклад: В конце девятнадцатого века вокруг природы растворов развернулся настоящий научный спор. Физическая школа Вант-Гоффа и Аррениуса считала раствор механической смесью и прекрасно описывала осмотическое давление, но не могла объяснить тепловые эффекты. Менделеев доказывал химическое взаимодействие, опираясь на кристаллогидраты и сжатие объёма; современная теория объединила обе точки зрения.

Слайд 10. Растворимость как количественная мера

• Растворимость — способность вещества образовывать с растворителем однородную систему; численно её выражают массой вещества, насыщающей 100 граммов растворителя при данной температуре.
• 36 г — хлорид натрия — на 100 г воды при 20 °C
• 32 г — нитрат калия — на 100 г воды при 20 °C
• 0,0002 г — хлорид серебра — на 100 г воды при 25 °C

Доклад: Растворимость — ключевое количественное понятие темы. Её выражают массой вещества, насыщающей сто граммов растворителя при данной температуре, и разброс значений огромен. Хлорид натрия даёт около тридцати шести граммов на сто граммов воды, а хлорид серебра — две десятитысячных грамма, то есть в сотни тысяч раз меньше.

Слайд 11. От ненасыщенного раствора к пересыщенному

• Готовят насыщенный раствор при нагревании и медленно охлаждают без встряхивания.
• Достаточно бросить кристаллик-затравку — избыток вещества выпадает мгновенно.
• На этом свойстве основано выращивание крупных монокристаллов и производство леденцов.
• Ненасыщенный — вещества меньше предела растворимости, новые порции продолжают растворяться
• Насыщенный — установилось равновесие с осадком, больше вещество не растворяется
• Пересыщенный — вещества больше нормы, состояние неустойчиво и держится лишь при осторожном охлаждении

Доклад: Три состояния раствора удобно представить как ступени вверх. Ненасыщенный раствор ещё способен растворять новые порции вещества, насыщенный находится в равновесии с осадком, а пересыщенный содержит вещества больше нормы и держится только благодаря осторожному охлаждению. Достаточно бросить в него кристаллик-затравку — и избыток выпадает мгновенно; так выращивают монокристаллы и варят леденцы.

Слайд 12. Вещества по растворимости в воде

• Границы условны, но именно ими пользуются в таблице растворимости и в аналитической химии.
• Абсолютно нерастворимых веществ не существует: даже стекло и золото дают ничтожные концентрации.

Доклад: По растворимости в воде вещества условно делят на три группы, и именно эти границы заложены в привычную таблицу растворимости. Хорошо растворимые дают больше грамма на сто граммов воды, малорастворимые — от сотой доли до грамма, практически нерастворимые — меньше сотой. Подчеркну: абсолютно нерастворимых веществ не существует, даже стекло и золото дают ничтожные, но измеримые концентрации.

Слайд 13. Растворимость твёрдых веществ и температура

• Для большинства солей растворение эндотермично, поэтому нагревание резко увеличивает растворимость.
• Нитрат калия — классический пример: от 0 до 100 °C растворимость вырастает почти в двадцать раз.

Доклад: График показывает зависимость растворимости нитрата калия от температуры. Для большинства солей растворение эндотермично, поэтому нагревание сдвигает равновесие в сторону раствора. У нитрата калия эффект особенно нагляден: от нуля до ста градусов растворимость вырастает с тринадцати до двухсот сорока шести граммов, то есть почти в двадцать раз.

Слайд 14. Растворимость газов и закон Генри

• c = K · p
• c — концентрация газа в насыщенном растворе, моль на литр
• K — постоянная Генри, зависит от природы газа и растворителя
• p — парциальное давление газа над раствором, паскаль
• Важное отличие: при нагревании растворимость газов падает, поэтому в тёплой воде рыбам не хватает кислорода

Доклад: С газами картина принципиально иная и описывается законом Генри: концентрация растворённого газа прямо пропорциональна его парциальному давлению над раствором. Именно поэтому газированная вода шипит при открывании бутылки — давление падает, и углекислый газ выходит. И главное отличие от твёрдых веществ: с ростом температуры растворимость газов не растёт, а падает, из-за чего в тёплой воде рыбам не хватает кислорода.

Слайд 15. Способы выражения концентрации

• Выбор способа определяется задачей: в быту и технологии удобнее массовая доля, в расчётах реакций — молярная концентрация.
• Все величины связаны через плотность раствора, поэтому одну концентрацию всегда можно пересчитать в другую.

Доклад: Способов выразить состав раствора несколько, и выбор диктуется задачей. В быту и технологии удобна массовая доля в процентах, в расчётах реакций — молярная концентрация, в физико-химических измерениях — моляльность, а в титриметрическом анализе — титр. Все эти величины связаны через плотность раствора, поэтому одну всегда можно пересчитать в другую.

Слайд 16. Приготовление раствора заданной концентрации

• Расчёт: по заданной массовой доле находят навеску вещества и массу воды, по молярной концентрации — количество вещества на нужный объём.
• Навеску берут на аналитических весах с точностью до сотых долей грамма и переносят в мерную колбу через воронку.
• Воду доливают до кольцевой метки по нижнему краю мениска на уровне глаза, затем колбу закрывают и многократно переворачивают.
• Готовый раствор снабжают этикеткой с названием вещества, концентрацией и датой приготовления — без этого он непригоден для работы.

Доклад: Приготовление раствора заданной концентрации — обязательный лабораторный навык. Сначала расчёт навески, затем взвешивание на аналитических весах и перенос вещества в мерную колбу через воронку. Воду доливают строго до кольцевой метки по нижнему краю мениска на уровне глаза, после чего колбу многократно переворачивают и обязательно снабжают этикеткой с датой.

Слайд 17. Коллигативные свойства растворов

• Понижение давления насыщенного пара над раствором — первый закон Рауля: относительное понижение равно доле растворённого вещества.
• Повышение температуры кипения: каждый моль вещества в килограмме воды поднимает точку кипения примерно на 0,52 градуса.
• Понижение температуры замерзания: тот же моль опускает точку замерзания на 1,86 градуса — на этом основано посыпание дорог солью.
• Осмотическое давление, описанное уравнением Вант-Гоффа, определяет поступление воды в клетки и работу почек.

Доклад: Коллигативные свойства замечательны тем, что зависят только от числа частиц, а не от их природы. Первый закон Рауля описывает понижение давления пара, из него следуют повышение температуры кипения на полградуса и понижение температуры замерзания почти на два градуса на моль вещества в килограмме воды. Последнее объясняет, почему дороги зимой посыпают солью, а осмотическое давление по Вант-Гоффу определяет работу клеток и почек.

Слайд 18. Электролиты и неэлектролиты

• Растворы одних веществ проводят электрический ток, а других — нет. Причина различия объясняется теорией электролитической диссоциации.
• При растворении распадаются на положительные и отрицательные ионы.
• Это соли, щёлочи и кислоты — вещества с ионной и сильно полярной связью.
• Их растворы проводят ток и сильнее влияют на температуру замерзания.
• Сильные электролиты диссоциируют полностью, слабые — лишь частично.
• Переходят в раствор в виде целых незаряженных молекул.
• Это сахароза, глицерин, спирты, мочевина — вещества с ковалентной малополярной связью.
• Их растворы ток не проводят, лампочка в приборе не загорается.
• Все расчёты коллигативных свойств для них ведут без поправочного коэффициента.

Доклад: Растворы делятся на проводящие ток и не проводящие, и объясняет это теория электролитической диссоциации. Соли, щёлочи и кислоты при растворении распадаются на ионы, поэтому их растворы проводят ток и сильнее понижают температуру замерзания. Сахароза, спирты и глицерин переходят в раствор целыми молекулами — лампочка в приборе не загорится.

Слайд 19. Кристаллогидраты

• Кристаллогидраты — кристаллические вещества, включившие в свою решётку строго определённое число молекул воды.
• Классический пример — медный купорос: на каждую формульную единицу сульфата меди приходится пять молекул воды.
• Именно кристаллогидраты Менделеев считал главным доказательством химического взаимодействия вещества с растворителем.
• При нагревании кристаллизационная вода уходит, ярко-синие кристаллы превращаются в белый порошок, а при смачивании окраска возвращается.

Доклад: Кристаллогидраты — прямое доказательство того, что вода не просто среда, а участник процесса. В медном купоросе на каждую формульную единицу сульфата меди приходится ровно пять молекул воды, и именно они дают яркую синюю окраску. При прокаливании кристаллизационная вода уходит, кристаллы становятся белым порошком, а при смачивании синий цвет возвращается — красивый и убедительный опыт.

Слайд 20. Растворы в природе и технике

• Мировой океан — гигантский природный раствор со средней солёностью около 35 граммов солей на литр воды.
• Мёртвое море содержит до 300 граммов солей на литр: раствор близок к насыщению, поэтому его плотность позволяет человеку лежать на воде.
• В организме человека растворы обеспечивают транспорт кислорода, питательных веществ и вывод продуктов обмена.
• В технике на растворах держатся гальваника, металлургия гидрометаллургического цикла, производство удобрений и лекарственных форм.

Доклад: Масштаб природных растворов впечатляет. Мировой океан содержит в среднем тридцать пять граммов солей на литр, а Мёртвое море — до трёхсот, и раствор там близок к насыщению, поэтому его плотность буквально выталкивает человека на поверхность. В организме растворы обеспечивают транспорт кислорода и питательных веществ, а в технике на них держатся гальваника, гидрометаллургия и производство удобрений.

Слайд 21. Учёные, создавшие учение о растворах

• Дмитрий Иванович Менделеев, 1834–1907, Автор химической (гидратной) теории растворов, доказавший взаимодействие вещества с растворителем
• Сванте Август Аррениус, 1859–1927, Создатель теории электролитической диссоциации, лауреат Нобелевской премии по химии 1903 года
• Якоб Хендрик Вант-Гофф, 1852–1911, Установил законы осмотического давления в растворах, первый лауреат Нобелевской премии по химии
• Франсуа Мари Рауль, 1830–1901, Открыл законы понижения давления пара и температуры замерзания растворов

Доклад: Учение о растворах создавали несколько выдающихся учёных. Менделеев разработал гидратную теорию и доказал химическое взаимодействие вещества с растворителем, Аррениус объяснил проводимость растворов диссоциацией на ионы. Вант-Гофф установил законы осмотического давления и стал первым нобелевским лауреатом по химии, а Рауль открыл законы понижения давления пара и температуры замерзания.

Слайд 22. Выводы

• Раствор — не механическая смесь, а гомогенная система переменного состава, в которой вещество и растворитель химически взаимодействуют.
• Растворимость определяется природой веществ, температурой и — для газов — давлением; её численно выражают массой вещества на 100 граммов растворителя.
• Количественное описание раствора невозможно без концентрации, а выбор её способа диктуется характером расчётной задачи.
• Законы Рауля, Генри и Вант-Гоффа вместе с теорией электролитической диссоциации превращают учение о растворах в точный расчётный инструмент химии, медицины и технологии.

Доклад: Подведём итоги. Раствор — это не механическая смесь, а гомогенная система переменного состава с реальным химическим взаимодействием компонентов. Растворимость зависит от природы веществ, температуры и давления, а количественно раствор описывают через концентрацию. Законы Рауля, Генри и Вант-Гоффа вместе с теорией диссоциации делают учение о растворах точным расчётным инструментом химии, медицины и технологии.

Слайд 23. Список литературы

• Ахметов, Н. С. Общая и неорганическая химия : учебник / Н. С. Ахметов. — Москва : Высшая школа, 2001. — 743 с.
• Глинка, Н. Л. Общая химия : учебник / Н. Л. Глинка. — Москва : КноРус, 2019. — 752 с.
• Зайцев, О. С. Общая химия. Состояние веществ и химические реакции : учебное пособие / О. С. Зайцев. — Москва : Химия, 1990. — 352 с.
• Коровин, Н. В. Общая химия : учебник / Н. В. Коровин. — Москва : Высшая школа, 2006. — 557 с.
• Стромберг, А. Г. Физическая химия : учебник / А. Г. Стромберг, Д. П. Семченко. — Москва : Высшая школа, 2009. — 527 с.

Доклад: В основу работы легли классические отечественные учебники общей и физической химии. Это Ахметов, Глинка, Зайцев, Коровин и Стромберг с Семченко — источники, по которым учение о растворах излагается в вузовском курсе. Все описания приведены по действующему стандарту библиографического описания.

Слайд 24. Спасибо за внимание!

Доклад: На этом доклад окончен, благодарю за внимание. Мы прошли путь от определения раствора до количественных законов и практических приложений. Готов ответить на вопросы по механизму растворения, расчётам концентрации и коллигативным свойствам.