1.6.1: Склад- Моль Фракція- Моляльність- Концентрація

Розчин містить щонайменше дві різні хімічні речовини, де щонайменше одна речовина знаходиться у великому молярному надлишку. Термін «розчин» використовується для опису як твердих речовин, так і рідин. Проте термін «розчин» за відсутності слова «твердий» відноситься до рідини. Хіміки особливо експертні у визначенні кількості та хімічних формул хімічних речовин, присутніх у даній закритій системі. Тут ми досліджуємо, як виражається хімічний склад даної системи. Розглядається проста система, приготовлена з використанням води (\(\ell\)) і сечовини (ів) при температурі навколишнього середовища і тиску. Позначимо воду хімічною речовиною 1, а сечовину - хімічною речовиною\(j\), щоб замкнута система містила водний розчин. Кількість двох речовин задається\(\mathrm{n}_{j} \left(=\mathrm{w}_{1} / \mathrm{M}_{1}\right)\) і\(\mathrm{n}_{\mathrm{j}}\left(=\mathrm{w}_{\mathrm{j}} / \mathrm{M}_{\mathrm{j}}\right)\) де\(\mathrm{w}_{1}\) і\(\mathrm{w}_{j}\) є масами;\(\mathrm{M}_{1}\) і\(\mathrm{M}_{j}\) є молярними масами двох хімічних речовин. У ці терміни\(\mathrm{n}_{1}\) і\(\mathrm{n}_{j}\) є великими змінними.

\[\text { Mass of solution, } \mathrm{w}=\mathrm{n}_{1} \, \mathrm{M}_{1}+\mathrm{n}_{\mathrm{j}} \, \mathrm{M}_{\mathrm{j}}\]

\[\text { Mass of solvent, } \mathrm{w}_{1}=\mathrm{n}_{1} \, \mathrm{M}_{1}\]

Для води,\(\mathrm{M}_{1} = 0.018 \mathrm{~kg mol}^{-1}\). Однак при перегляді властивостей розчинів хіміки віддають перевагу інтенсивним змінним складу.

Моль Фракція

Мольні частки двох речовин\(\mathrm{x}_{1}\) і\(\mathrm{x}_{j}\) задаються наступними двома рівняннями:

\[\mathrm{x}_{1}=\mathrm{n}_{\mathrm{l}} /\left(\mathrm{n}_{1}+\mathrm{n}_{\mathrm{j}}\right) \quad \mathrm{x}_{\mathrm{j}}=\mathrm{n}_{\mathrm{j}} /\left(\mathrm{n}_{1}+\mathrm{n}_{\mathrm{j}}\right)\]

Ось\(x_{1}+x_{j}=1.0\). У загальних рисах для системи, що містить\(\mathrm{i}\) -хімічні речовини, мольна частка речовини\(\mathrm{k}\) задається рівнянням (d).

\[\mathbf{x}_{\mathrm{k}}=\mathrm{n}_{\mathrm{k}} / \sum_{\mathrm{j}=1}^{\mathrm{j}=\mathrm{i}} \mathrm{n}_{\mathrm{j}}\]

Звідси\(\sum_{j=1}^{j=i} x_{j}=1.0\). Перевага безрозмірної накипу мольної фракції полягає в тому, що при відсутності хімічної реакції мольна фракція\(\mathrm{x}_{\mathrm{k}}\) хімічної речовини\(\mathrm{k}\) не залежить як від температури, так і від тиску.

Моляльність

Для рідких систем хімічна речовина в величезному надлишку називається розчинником, тоді як інші речовини називаються розчиненими речовинами. У системі сечовини + вода вода є розчинником, якщо\(\mathrm{n}_{1}>>\mathrm{n}_{\mathrm{j}}\). Ми, як спостерігачі за властивостями цієї системи, проводимо різницю між двома речовинами, визначаючи сечовину як розчинену речовину. Молярність розчиненої речовини\(\mathrm{m}_{j}\) задається кількістю розчиненої речовини в\(1 \mathrm{~kg}\) розчиннику [1,2].

\[\mathrm{m}_{\mathrm{j}}=\mathrm{n}_{\mathrm{j}} / \mathrm{w}_{1}\]

Оскільки молярність розчиненої речовини\(j\) визначається з точки зору мас розчиненої речовини та розчинника,\(\mathrm{m}_{j}\) не залежить від температури та тиску. Отже, для точної характеристики властивостей розчинених речовин краща шкала молярності [2].

Концентрація

Концентрація хімічної речовини\(j\) в системному обсязі\(\mathrm{V}\),

\[c_{j}=n_{j} / V\]

Останнє твердження досить загальне. Однак хіміки, зацікавлені у властивостях розчинів, зазвичай використовують термін «концентрація» стосовно властивостей розчиненої речовини, речовини\(\mathrm{j}\). Кілька задач пов'язані з рівнянням (f). Основна проблема полягає в тому, що об'єм розчину залежить як від температури, так і від тиску, тому обидві ці інтенсивні змінні повинні бути вказані при\(\mathrm{c}_{j}\) наведенні цитування. Подальша проблема виникає, коли виникає необхідність вказати точний склад даного рішення. Багато хіміки готують розчин шляхом розчинення відомої маси розчиненої речовини\(j\) в невеликому обсязі розчинника. Потім обсяг розчину «складають до позначки» для заданого обсягу (наприклад\(250 \mathrm{~cm}^{3}\)). Але часто хіміки не фіксують точно, скільки розчинника використовується. У цих умовах ми бачимо, чому моляльність часто є кращою шкалою складу для розчинів, оскільки кількість розчинника та розчиненої речовини точно визначені. Однак, замислюючись про властивості розчинів, хіміки вважають відстань між молекулами розчинених речовин, а не їх масами. Цікавий розрахунок дає уявлення про залежність міжмолекулярного поділу розчинених речовин як функції концентрації розчинених речовин,\(\mathrm{c}_{j}\) _ [2-4]. Зі збільшенням концентрації розчиненої речовини (наприклад, сечовини) у водному розчині середня відстань між молекулами розчиненої речовини зменшується. У тому випадку, якщо розчиненою речовиною є сіль 1:1 (наприклад, бромід калію,\(\mathrm{KBr}\)), розрахунок враховує той факт, що кожен моль солі виробляє при повній дисоціації дві молі розчинених іонів [3,4]. Ми отримуємо уявлення про проблему, розглядаючи рішення\(\mathrm{KBr}(\mathrm{aq}, 1 \mathrm{~mol dm}^{-3}\)). Розрахована відстань між центрами іонів дорівнює\(0.94 \mathrm{~nm}\). Радіуси цих іонів становлять прибл\(0.15 \mathrm{~nm}\). Діаметр молекули води приблизно\(0.4 \mathrm{~nm}\) [5]. Таким чином, між іонами відносно мало молекул води в цій концентрації.

Ці розрахунки важливі, оскільки вони вказують на те, як змінюються відстані між розчиненою речовиною при збільшенні концентрації розчиненої речовини. [6] Хіміки часто хочуть знати, як молекулярні взаємодії розчиненої речовини впливають на властивості розчинів. [7-11] Безумовно, відстань між молекулами розчинених речовин є ключовим врахування при огляді властивостей розчинених речовин у водних розчині. Завдання розуміння властивостей водних розчинів прийнято ділити на дві частини. Для першої частини ми використовуємо термін гідратація для опису взаємодій розчинника - розчинник. Ми уявляємо молекулу розчиненої речовини, хімічної речовини\(j\), у нескінченному просторі розчинника і звертаємо увагу на організацію молекул розчинника, що оточують кожну розчинену молекулу, косферу. [7] Термін «число гідратації» часто позначає кількість молекул води, що прилягають до кожної розчиненої речовини молекула, але термін «оболонка гідратації» часто поширюється на включення молекул розчинника поза безпосередньою оболонкою.

Зі збільшенням концентрації розчинених речовин середнє поділ між молекулами розчинених речовин зменшується. Відповідаючи на задачу розуміння властивостей реальних розв'язків, ми визначаємо властивості ідеальних рішень [10]. У разі сольових розчинів сильне і тривале - іонно-іонні взаємодії сприяють вираженим відхиленням від властивостей ідеальних розчинів [11].

Виноски

[1]\(\mathrm{m}_{\mathrm{j}}=\left[\mathrm{mol} \mathrm{} \mathrm{kg}^{-1}\right]\)

[2] Р. А. Робінсон і Р.Х. Стокс, Електролітні розчини, Баттервортс, Лондон, 2nd edn. переглянутий, 1965, сторінка 15.

[3] Розглянемо рішення, в якому кожна розчинена молекула розміщується в центрі куба, краю d метрів. Потім відстань між молекулами розчиненої речовини\(/\mathrm{m} = \mathrm{d}\) Об'єм одиниці\(text{cube}/\mathrm{m}^{3} = \mathrm{d}^{3}\); Об'єм\(\mathrm{n}_{j}\) молів кубів,\(/\mathrm{m}^{3} = \mathrm{n}_{j} \,s \mathrm{N}_{\mathrm{A} \,s \mathrm{d}^{3}\) де\ mathrm {N} _ {\ mathrm {A}}\) - константа Авогадро. При цьому\(V(s \ln )=n_{j} \, N_{A} \, d^{3} \text { or } d=\left(c_{j} \, N_{A}\right)^{-1 / 3}\) де\(\mathrm{c}_{j}\) виражається в\(\mathrm{mol m}^{-3}\). \(\mathrm{d}=\left\{\left[\mathrm{mol} \mathrm{m}^{-3}\right] \,\left[\mathrm{mol}^{-1}\right]\right\}^{-1 / 3}=[\mathrm{m}]\)Якщо\(\mathrm{c}_{j}\) виражається, як це прийнято, в\(\mathrm{mol dm}^{-3}\),\(\mathrm{d}=\left(10^{3} \, \mathrm{c}_{\mathrm{j}} \, \mathrm{N}_{\mathrm{A}}\right)^{-1 / 3}\).

[4]

\ [\ begin {масив} {lll}
\ mathrm {c} _ {\ mathrm {j}}/\ mathrm {mol}\ mathrm {dm} ^ {-3} &\ text {d}\
mathrm {d}/\ mathrm {nm} &\ mathrm {d} м {нм}\\
10^ {-4} & 25.5 & 20.2\\
10^ {-3} & 11.8 & підсилювач; 9.4\\
10^ {-2} & 5.5 & 4.4\\
10^ {-1} & 2.6 & 2.0\\
1 & 1.2 & 0.94\\
5 & 0.69 & 0.55
\ кінець {масив}\]

[5] N.E. Dorsey, Властивості звичайної водної речовини, Рейнхольд, Нью-Йорк, 1940. Кошторис, наведений в основному тексті, базується на оцінках, наведених у таблиці 15 цієї захоплюючої монографії. Останній пропонує інформацію, що стосується, наприклад, навантаження, яку буде підтримувати лід. Судячи з усього, лід, що має товщину 20 см, підтримає батарею артилерії з екіпажем і кіньми (див. п.458).

[6] Моляльності засновані на масі, а концентрації на відстанях.

[7] Р.У. Герні, Іонні процеси в розчині, Макгроу-Хілл, Нью-Йорк, 1953.

[8] Х.Л. Фрідман і К.В. Крішнан, у воді - всеосяжний трактат, ред. Френкс, Пленум Прес, Нью-Йорк, 1973, Том 3, глава 1.

[9] ДЖ.-У. Хуот і Жолікер, в хімічній фізиці сольвації, частина (а) теорія сольватації, ред. Дж. Улструп, Ельзев'є, Нью-Йорк, 1985 рік.

[10] Одна цікава особливість поширена у водній хімії. Якщо дана молекула води сильно пов'язана з воднем з чотирма іншими молекулами води, ця молекула води існує в місцевому стані, який має низьку щільність (великий об'єм). Іншими словами, сильна згуртованість передбачає низьку щільність; закономірність, що суперечить тій, що зустрічається майже у всіх природних системах (і в діяльності людини); А. Бен-Наім, Хім. Фіз. Літт., 1972, 13, 406. [Винятки з цього твердження зустрічаються в структурах поліморфів льоду високого тиску - але тоді завжди є винятки із загальних тверджень.]

[11] Насіннєвий папір у цій темі, водна хімія, ймовірно, написана Дж. Берналом та Р. Фаулером, Дж. Chem. Фіз., 1933,1, 515. Ця робота примітна тим, що, незважаючи на предмети, що покриваються (тобто лід, рідка вода та водні розчини), термін «водневий зв'язок» не використовується. Автори посилаються на тенденцію групування води в «тетраедричній координації».