Методические рекомендации по изучению раздела: «Вода.Растворы. Электролитическая диссоциация»
Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднее профессиональное образование Пензенской области
«Пензенский многопрофильный коллледж»
отделение строительства.
Методические рекомендации по изучению раздела:
«Вода. Растворы. Электролитическая диссоциация»
Выполнила преподаватель: Пивкина Н.В.
г. Пенза 2014 г.
Методические рекомендации по изучению материала.
При изучении раздела обратите внимание на следующие понятия:
Дисперсная фаза и дисперсионная среда.
Взвеси и коллоидные системы.
Суспензии, эмульсии, аэрозоли, золи, гели.
Коагуляция, синерезис.
Массовая доля растворенного вещества
Электролиты и неэлектролиты.
Электролитическая диссоциация.
Ионные реакции
Постарайтесь запомнить факторы влияющие на растворимость твердых и газообразных веществ.
Научитесь определять массовую долю растворенного вещества
Уясните механизм электролитической диссоциации с различными типами химической связи
Научитесь расписывать механизм электролитической диссоциации кислот, солей и щелочей.
Запомните условия необратимости ионных реакций.
Научитесь расписывать полные и краткие ионные уравнения на основе молекулярных.
Выучите определения ключевых понятий данного раздела.
Теоретическая часть.
Дисперсные системы.
В природе чаще всего встречаются смеси различных веществ. Смеси разных веществ в различных агрегатных состояниях могут образовывать гетерогенные и гомогенные системы. Такие системы мы будем называть дисперсными.
Дисперсной называется система, состоящая из двух или более веществ, причем одно из них в виде очень маленьких частиц равномерно распределено в объеме другого.
Вещество, которое присутствует в меньшем количестве, диспергирует и распределено в объеме другого, называют дисперсной фазой. Она может состоять из нескольких веществ.
Вещество, присутствующее в большем количестве, в объеме которого распределена дисперсная фаза, называют дисперсной средой. Между ней и частицами дисперсной фазы существует поверхность раздела, поэтому дисперсные системы называются гетерогенными (неоднородными).
И дисперсную среду, и дисперсную фазу могут представлять вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном.
В зависимости от сочетания агрегатного состояния дисперсной среды и дисперсной фазы можно выделить 9 видов таких систем.
Таблица Примеры дисперсных систем
Дисперсионная среда
Дисперсная фаза
Примеры некоторых природных и бытовых дисперсных систем
Газ
Газ
Всегда гомогенная смесь (воздух, природный газ)
Жидкость
Туман, попутный газ с капельками нефти, карбюраторная смесь в двигателях автомобилей (капельки бензина в воздухе), аэрозоли
Твердое вещество
Пыли в воздухе, дымы, смог, самумы (пыльные и песчаные бури), аэрозоли
Жидкость
Газ
Шипучие напитки, пены
Жидкость
Эмульсии. Жидкие среды организма (плазма крови, лимфа, пищеварительные соки), жидкое содержимое клеток (цитоплазма, кариоплазма)
Твердое вещество
Золи, гели, пасты (кисели, студни, клеи). Речной и морской ил, взвешенные в воде; строительные растворы
Твердое вещество
Газ
Снежный наст с пузырьками воздуха в нем, почва, текстильные ткани, кирпич и керамика, поролон, пористый шоколад, порошки
Жидкость
Влажная почва, медицинские и косметические средства (мази, тушь, помада и т. д.)
Твердое вещество
Горные породы, цветные стекла, некоторые сплавы
По величине частиц веществ, составляющих дисперсную фазу, дисперсные системы делятся на грубодисперсные (взвеси) с размерами частиц более 100 нм и тонкодисперсные (коллоидные растворы или коллоидные системы) с размерами частиц от 100 до 1 нм.
Если же вещество раздроблено до молекул или ионов размером менее 1 нм, образуется гомогенная система – раствор. Она однородна, поверхности раздела между частицами и средой нет.
Дисперсные системы и растворы очень важны в повседневной жизни и в природе. Судите сами: без нильского ила не состоялась бы великая цивилизация Древнего Египта; без воды, воздуха, горных пород и минералов вообще бы не существовала живая планета – наш общий дом – Земля; без клеток не было бы живых организмов и т.д.
ВЗВЕСИ
Взвеси – это дисперсные системы, в которых размер частицы фазы более 100 нм. Это непрозрачные системы, отдельные частицы которых можно заметить невооруженным глазом. Дисперсная фаза и дисперсная среда легко разделяются отстаиванием, фильтрованием.
Такие системы разделяются на:
1.Эмульсии (и среда, и фаза – нерастворимые друг в друге жидкости). Из воды и масла можно приготовить эмульсию длительным встряхиванием смеси. Это хорошо известные вам молоко, лимфа, водоэмульсионные краски и т.д.
2.Суспензии ( среда – жидкость, фаза – нерастворимое в ней твердое вещество).Чтобы приготовить суспензию , надо вещество измельчить до тонкого порошка, высыпать в жидкость и хорошо взболтать. Со временем частица выпадут на дно сосуда. Очевидно, чем меньше частицы, тем дольше будет сохраняться суспензия. Это строительные растворы, взвешенный в воде речной и морской ил, живая взвесь микроскопических живых организмов в морской воде – планктон, которым питаются гиганты – киты, и т.д.
3.Аэрозоли взвеси в газе (например, в воздухе) мелких частиц жидкостей или твердых веществ. Различаются пыли, дымы, туманы. Первые два вида аэрозолей представляют собой взвеси твердых частиц в газе (более крупные частицы в пылях), последний – взвесь капелек жидкости в газе. Например: туман, грозовые тучи – взвесь в воздухе капелек воды, дым – мелких твердых частиц. А смог, висящий над крупнейшими городами мира, также аэрозоль с твердой и жидкой дисперсной фазой. Жители населенных пунктов вблизи цементных заводов страдают от всегда висящей в воздухе тончайшей цементной пыли, образующейся при размоле цементного сырья и продукта его обжига – клинкера. Дым заводских труб, смоги, мельчайшие капельки слюны, вылетающих изо рта больного гриппом, также вредные аэролози. Аэрозоли играют важную роль в природе, быту и производственной деятельности человека. Скопление облаков, обработка полей химикатами, нанесение лакокрасочных покрытий при помощи пульверизатора, лечение дыхательных путей (ингаляция) – примеры тех явлений и процессов, где аэрозоли приносят пользу. Аэрозоли – туманы над морским прибоем, вблизи водопадов и фонтанов, возникающая в них радуга доставляет человеку радость, эстетическое удовольствие.
Для химии наибольшее значение имеют дисперсные системы, в которых средой является вода и жидкие растворы.
Природная вода всегда содержит растворенные вещества. Природные водные растворы участвуют в процессах почвообразования и снабжают растения питательными веществами. Сложные процессы жизнедеятельности, происходящие в организмах человека и животных, также протекают в растворах. Многие технологические процессы в химической и других отраслях промышленности, например получение кислот, металлов, бумаги, соды, удобрений, протекают в растворах.
КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ
Коллоидные системы (в переводе с греческого “колла” – клей, “еидос” вид клееподобные) – это такие дисперсные системы, в которых размер частиц фазы от 100 до 1 нм. Эти частицы не видны невооруженным глазом, и дисперсная фаза и дисперсная среда в таких системах отстаиванием разделяются с трудом.
Из курса общей биологии вам известно, что частицы такого размера можно обнаружить при помощи ультрамикроскопа, в котором используется принцип рассеивания света. Благодаря этому коллоидная частица в нем кажется яркой точкой на темном фоне.
Их подразделят на золи (коллоидные растворы) и гели (студни).
1. Коллоидные растворы, или золи. Это большинство жидкостей живой клетки (цитоплазма, ядерный сок – кариоплазма, содержимое органоидов и вакуолей). И живого организма в целом (кровь, лимфа, тканевая жидкость, пищеварительные соки и т.д.) Такие системы образуют клеи, крахмал, белки, некоторые полимеры.
Коллоидные растворы могут быть получены в результате химических реакций; например, при взаимодействии растворов силикатов калия или натрия (“растворимого стекла”) с растворами кислот образуется коллоидный раствор кремниевой кислоты. Золь образуется и при гидролизе хлорида железа (III) в горячей воде.
Характерное свойство коллоидных растворов – их прозрачность. Коллоидные растворы внешне похожи на истинные растворы. Их отличают от последних по образующейся “светящейся дорожке” – конусу при пропускании через них луча света. Это явление называют эффектом Тиндаля. Более крупные, чем в истинном растворе, частицы дисперсной фазы золя отражают свет от своей поверхности, и наблюдатель видит в сосуде с коллоидным раствором светящийся конус. В истинном растворе он не образуется. Аналогичный эффект, но только для аэрозольного, а не жидкого коллоида, вы можете наблюдать в лесу и в кинотеатрах при прохождении луча света от киноаппарата через воздух кинозала.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Пропускание луча света через растворы;
а – истинный раствор хлорида натрия; б – коллоидный раствор гидроксида железа (III).
Частицы дисперсной фазы коллоидных растворов нередко не оседают даже при длительном хранении из-за непрерывных соударений с молекулами растворителя за счет теплового движения. Они не слипаются и при сближении друг с другом из-за наличия на их поверхности одноименных электрических зарядов. Это объясняется тем, что вещества в коллоидном, т.е., в мелкораздробленном, состоянии обладают большой поверхностью. На этой поверхности адсорбируются либо положительно, либо отрицательно заряженные ионы. Например, кремниевая кислота адсорбирует отрицательные ионы SiO32-, которых в растворе много вследствие диссоциации силиката натрия:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Частицы же с одноименными зарядами взаимно отталкиваются и поэтому не слипаются.
Но при определенных условиях может происходить процесс коагуляции. При кипячении некоторых коллоидных растворов происходит десорбция заряженных ионов, т.е. коллоидные частицы теряют заряд. Начинают укрупняться и оседают. Тоже самое наблюдается при приливании какого-либо электролита. В этом случае коллоидная частица притягивает к себе противоположно заряженный ион и ее заряд нейтрализуется.
Коагуляция – явление слипания коллоидных частиц и выпадения их в осадок – наблюдается при нейтрализации зарядов этих частиц, когда в коллоидный раствор добавляют электролит. При этом раствор превращается в суспензию или гель. Некоторые органические коллоиды коагулируют при нагревании (клей, яичный белок) или при изменении кислотно-щелочной среды раствора.
2. Гели или студни представляют собой студенистые осадки, образующиеся при коагуляции золей. К ним относят большое количество полимерных гелей, столь хорошо известные вам кондитерские, косметические и медицинские гели (желатин, холодец, мармелад, торт “Птичье молоко”) и конечно же бесконечное множество природных гелей: минералы (опал), тела медуз, хрящи, сухожилия, волосы, мышечная и нервная ткани и т.д. Историю развития на Земле можно одновременно считать историей эволюции коллоидного состояния вещества. Со временем структура гелей нарушается (отслаивается) – из них выделяется вода. Это явление называют синерезисом.
Растворы.
Раствор – это гомогенная система, состоящая из двух или более веществ, содержание которых можно изменять в определенных пределах без нарушения однородности.
Водные растворы состоят из воды (растворителя) и растворенного вещества. Состояние веществ в водном растворе при необходимости обозначается нижним индексом (р), например, KNO3 в растворе – KNO3(p).
Растворы, которые содержат малое количество растворенного вещества, часто называют разбавленными, а растворы с высоким содержанием растворенного вещества – концентрированными. Раствор, в котором возможно дальнейшее растворение вещества, называется ненасыщенным, а раствор, в котором вещество перестает растворяться при данных условиях, – насыщенным.
В особых условиях, например при осторожном (без перемешивания) охлаждении горячего ненасыщенного раствора твердого вещества, может образоваться пересыщенный раствор. При введении кристалла вещества такой раствор разделяется на насыщенный раствор и осадок вещества.
В соответствии с химической теорией растворов Д. И. Менделеева растворение вещества в воде сопровождается:
Во-первых, разрушением химических связей между молекулами (межмолекулярные связи в ковалентных веществах) или между ионами (в ионных веществах), и, таким образом, частицы вещества смешиваются с водой (в которой также разрушается часть водородных связей между молекулами). Разрыв химических связей совершается за счет тепловой энергии движения молекул воды, при этом происходит затрата энергии в форме теплоты.
Во-вторых, попав в воду, частицы (молекулы или ионы) вещества подвергаются гидратации. В результате образуются гидраты – соединения неопределенного состава между частицами вещества и молекулами воды (внутренний состав самих частиц вещества при растворении не изменяется). Такой процесс сопровождается выделением энергии в форме теплоты за счет образования новых химических связей в гидратах.
В целом раствор либо охлаждается (если затрата теплоты превосходит ее выделение), либо нагревается (в противном случае); иногда – при равенстве затраты теплоты и ее выделения – температура раствора остается неизменной.
Многие гидраты оказываются настолько устойчивыми, что не разрушаются и при полном выпаривании раствора. Так, известны твердые кристаллогидраты солей CuSO4 5Н2O, Na2CO3 10Н2O, KAl(SO4)2 12Н2O и др.
Содержание вещества в насыщенном растворе при Т = const количественно характеризует растворимость этого вещества. Обычно растворимость выражается массой растворенного вещества, приходящейся на 100 г воды, например 65,2 г КBr /100 г Н2O при 20 °C. Следовательно, если 70 г твердого бромида калия ввести в 100 г воды при 20 °C, то 65,2 г соли перейдет в раствор (который будет насыщенным), а 4,8 г твердого КBr (избыток) останется на дне стакана.
Следует запомнить, что содержание растворенного вещества в насыщенном растворе равно, в ненасыщенном растворе меньше и в пересыщенном растворе больше его растворимости при данной температуре. Так, раствор, приготовленный при 20 °C из 100 г воды и сульфата натрия Na2SO4 (растворимость 19,2 г/100 г Н2O), при содержании
15,7 г соли – ненасыщенный;
19.2 г соли – насыщенный;
2O.3 г соли – пересыщенный.
Растворимость твердых веществ (табл. 14) обычно увеличивается с ростом температуры (КBr, NaCl), и лишь для некоторых веществ (CaSO4, Li2CO3) наблюдается обратное.
Растворимость газов при повышении температуры падает, а при повышении давления растет; например, при давлении 1 атм растворимость аммиака составляет 52,6 (20 °C) и 15,4 г/100 г Н2O (80 °C), а при 20 °C и 9 атм она равна 93,5 г/100 г Н2O.
Электролитическая диссоциация
Растворение любого вещества в воде сопровождается образованием гидратов. Если при этом в растворе не происходит формульных изменений у частиц растворенного вещества, то такие вещества относят к неэлектролитам. Ими являются, например, газ азот N2, жидкость хлороформ СНCl3, твердое вещество сахароза C12Н22О11, которые в водном растворе существуют в виде гидратов их молекул.
Известно много веществ (в общем виде МА), которые после растворения в воде и образования гидратов молекул MA nН2O претерпевают существенные формульные изменения. В результате в растворе появляются гидратированные ионы – катионы М+ nН2O и анионы А- nН2O:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Такие вещества относят к электролитам.
Процесс появления гидратированных ионов в водном растворе называется электролитической диссоциацией (С. Аррениус, 1887).
Электролитическая диссоциация ионных кристаллических веществ (М+)(А-) в воде является необратимой реакцией:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Такие вещества относятся к сильным электролитам, ими являются многие основания и соли, например:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Электролитическая диссоциация веществ MA, состоящих из полярных ковалентных молекул, является обратимой реакцией:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Такие вещества относят к слабым электролитам, ими являются многие кислоты и некоторые основания, например:
а)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
б)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
в)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
г)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Количественная характеристика диссоциации электролитов называется степенью диссоциации и обозначается ?[1], всегда ? > 0.
Для сильных электролитов ? = 1 по определению (диссоциация таких электролитов полная).
Для слабых электролитов степень диссоциации – отношение молярной концентрации продиссоциировавшего вещества (сд) к общей концентрации вещества в растворе (с):
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Степень диссоциации – это доля от единицы или от 100 %. Для слабых электролитов ? « С 1 (100 %).
Для слабых кислот НnА степень диссоциации по каждой следующей ступени резко уменьшается по сравнению с предыдущей:
Степень диссоциации зависит от природы и концентрации электролита, а также от температуры раствора; она растет при уменьшении концентрации вещества в растворе (т. е. при разбавлении раствора) и при нагревании.
Кислоты – это электролиты, которые при диссоциации поставляют в водный раствор катионы водорода и никаких других положительных ионов не образуют:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Основания – это электролиты, которые при диссоциации поставляют в водный раствор гидроксид-ионы и никаких других отрицательных ионов не образуют:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Диссоциация малорастворимых оснований Mg(OH)2, Cu(OH)2, Mn(OH)2, Fe(OH)2 и других практического значения не имеет.
К сильным основаниям (щелочам) относятся NaOH, КОН, Ва(ОН)2 и некоторые другие. Самым известным слабым основанием является гидрат аммиака NH3 Н2O.
Соли – это электролиты, которые при диссоциации поставляют в водный раствор любые катионы, кроме Н+, и любые анионы, кроме ОН-:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Реакции ионного обмена
В разбавленных растворах электролитов (кислот, оснований, солей) химические реакции протекают обычно при участии ионов. В соответствии с правилом Бертолле, ионные реакции протекают практически необратимо, если образуются твердые малорастворимые вещества (они выпадают в осадок), легколетучие вещества (они выделяются в виде газов) или растворимые вещества – слабые электролиты (в том числе и вода).
Ионные реакции изображаются системой уравнений молекулярным, полным и кратким ионным. Ниже полные ионные уравнения опущены (читателю предлагается составить их самому).
Примеры реакций с выпадением осадков:
а)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
б)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
в)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Примеры реакций с выделением газов:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Примеры реакций с образованием слабых электролитов:
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Вопросы для самоконтроля.
1. Что такое дисперсные системы? На какие виды они делятся в зависимости от размеров частиц дисперсной фазы?
2. Что представляют собой растворы? Приведите примеры растворов различного агрегатного состояния.
3. Докажите, что растворение – это физико-химический процесс.
4. Что общего у растворов с химическими соединениями? С механическими смесями?
5. Дайте определение понятия «растворимость». Приведите классификацию веществ по признаку растворимости в воде.
6. Какие способы выражения концентрации вам известны?
7. Как рассчитать массовую долю растворенного вещества в растворе, молярную концентрацию?
8. Дайте определение понятиям «электролиты» и «неэлектролиты», «электролитическая диссоциация».
9. Каков механизм диссоциации электролитов?
10. Приведите основные положения теории электролитической диссоциации. Кто ее автор?
11. Как называется процесс обратный диссоциации?
12. Что представляет собой степень диссоциации электролита?
13. Какие вещества относятся к сильным электролитам, какие - к слабым?
14. Дайте определение кислот, оснований, солей в свете теории электролитической диссоциации.
15. Какой может быть среда водных растворов?
16. Что представляют собой индикаторы? Как различные индикаторы
изменяют цвет в зависимости от среды раствора?
17. Каковы условия протекания реакций обмена в растворах электролитов?
Методические рекомендации по изучению материала.
При изучении раздела обратите внимание на следующие понятия:
Дисперсная фаза и дисперсионная среда.
Взвеси и коллоидные системы.
Суспензии, эмульсии, аэрозоли, золи, гели.
Коагуляция, синерезис.
Массовая доля растворенного вещества
Электролиты и неэлектролиты.
Электролитическая диссоциация.
Ионные реакции
Постарайтесь запомнить факторы влияющие на растворимость твердых и газообразных веществ.
Научитесь определять массовую долю растворенного вещества
Уясните механизм электролитической диссоциации с различными типами химической связи
Научитесь расписывать механизм электролитической диссоциации кислот, солей и щелочей.
Запомните условия необратимости ионных реакций.
Научитесь расписывать полные и краткие ионные уравнения на основе молекулярных.
Выучите определения ключевых понятий данного раздела.
Государственное бюджетное образовательное учреждение
среднее профессиональное образование Пензенской области
«Пензенский многопрофильный коллледж»
отделение строительства.
Методические рекомендации по изучению раздела:
«Вода. Растворы. Электролитическая диссоциация»
Выполнила преподаватель: Пивкина Н.В.
г. Пенза 2014 г.
Заголовок 215