Реакция воды и натрия: что там происходит
Группа исследователей во главе с Павлом Юнгвиртом (Pavel Jungwirth) из Чешской академии наук в Праге (Чехия) провели эксперимент для изучения деталей детонации натрия в воде. Ученые засняли реакцию с помощью камер замедленной съемки и обнаружили удивительные подробности. Результаты исследования опубликованы в Nature Chemistry.
В ходе популярного эксперимента, известного еще с XIX века, в обычную воду опускают кусок натрия. Это вызывает мгновенную и бурную реакцию, а иногда, на радость школьников — и взрыв. Все дело в том, что натрий является одним из щелочных металлов. В «чистом виде» при комнатной температуре он представляет собой твердое вещество, которое, однако, можно резать ножом. Всем известна поваренная соль. В этом виде натрий стабилен, и мы не видим подобной реакции, к примеру, подсаливая суп, поскольку в соли натрий присутствует в виде хлорида. Чистые щелочные металлы – совсем другое дело. Когда они соприкасаются с водой, происходит реакция окисления. Электроны покидают металл, выделяется тепло и газ водород, который может воспламениться. Так описывает процесс хрестоматийная теория популярного эксперимента. Однако в ней все еще остаются белые пятна.
Чешские исследователи задались целью выяснить подробности этого процесса. Поначалу они опускали в воду небольшие кусочки натрия. Результаты оказались непредсказуемы: вспышка то происходила, то нет. Причиной нестабильности были незначительные колебания в размере и форме металла. Тогда ученые использовали смесь жидкого натрия и другого щелочного металла, калия. Это позволило исследователям производить капли одинаковой формы и величины.
Съемка со скорость тысяча кадров в секунду показала, что через пять миллисекунд, попав в воду, щелочной металл «съеживается», выпуская десятки и сотни «игл». Ученые предположили, что это происходит в силу того, что электроны из металла мгновенно уходят в воду, и в нем происходит накопление положительного заряда. Взаимное отталкивание положительно заряженных частиц разрывает металл, вызывая появление «игл». В свою очередь это увеличивает площадь металла, контактирующего с водой, вызывая бурную реакцию. Компьютерное моделирование, проведенное после эксперимента, подтвердило этот эффект, хотя и на примере значительно меньшего количества натрия из-за ограниченности вычислительной мощности.
Подробное объяснение природы этой реакции — которым, как ни странно, до сих пор никто не озаботился — может быть применено для предотвращения подобных взрывов на производственных объектах, использующих щелочные металлы, например, в некоторых видах ядерных реакторов, которые охлаждаются жидким металлом. Но это все уже прикладное, как признается руководитель группы исследователей — похоже, им, как и любым мальчишкам, нравится играть со взрывчатыми веществами.
И добавим о российских химических новостях — не так взрывчато, зато куда фундаментальнее — как сообщал недавно наш портал, российским химикам удалось получить титан с особо низкой радиактивностью, что может быть крайне полезным для экспериментов с элементарными частицами.
Химики увидели волны растворения на поверхности кристаллов в воде
C. Fischer and A. Luttge / PNAS, 2018
Немецкие ученые обнаружили, что медленное растворение кристаллов в воде происходит импульсами и приводит к распространению вдоль поверхности кольцевых микроволн. Обнаруженный механизм поможет исследовать кинетику растворения в ограниченных объемах и транспорта веществ в пористых материалах, пишут химики в статье в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Протекание химической реакции на границе между жидкостью и твердым телом приводит к тому, что рельеф твердой поверхности сильно меняется. Проследив за изменением рельефа, можно получить информацию о кинетике химической реакции. Простейшими подобными реакциями могут быть кристаллизация или растворение твердых веществ. Если механизм кристаллизации изучен довольно хорошо, то про механизм растворения кристаллов известно немного меньше. Считается, что он полностью противоположен росту и отрыв ионов во время растворения происходит последовательно и непрерывно. Но если для хорошо растворимых веществ такая модель может использоваться, то ее применимость для описания механизмов медленного растворения вызывает вопросы.
Чтобы понять, как происходит процесс медленного растворения кристаллов в воде на самом деле, немецкие химики Корнелиус Фишер (Cornelius Fischer) и Андреас Люттге (Andreas Lüttge) из Бременского университета использовали метод вертикальной сканирующей интерферометрии. Этот метод позволяет составить карту изменения рельефа поверхности кристалла с точностью до 1 нанометра. Из полученных данных о переносе массы можно затем получить информацию о скорости реакции. В своем исследовании авторы работы изучили процесс растворения двух малорастворимых кристаллов с различным типом решеток: оксида цинка ZnO с гексагональной кристаллической решеткой и карбоната кальция CaCO
Оказалось, что во время растворения кристалла по его поверхности начинают распространяться волны «уменьшения массы» вещества, расстояние между которыми составляет несколько микрометров. Подобный волновой фронт характерен и для скорости и ускорения реакции растворения. Это значит, что процесс растворения на самом деле происходит не по общепринятому непрерывному механизму, обратному кристаллизации, а прерывистыми импульсами. При этом источниками волн (то есть начальными центрами растворения) служат точечные дефекты на поверхности кристалла.
Карты скоростей растворения оксида цинка (слева) и карбоната кальция (справа). Длина масштабной линейки — 10 микрометров
C. Fischer and A. Luttge / PNAS, 2018
Авторы исследования отмечают, что полученные экспериментальные данные хорошо описываются теоретической моделью нарастающей волны. Согласно этой модели, элементарный шаг реакции растворения — отрыв атома от решетки кристалла — происходит в области дефекта. Положение дефекта при этом смещается, и реакционным центром становится следующий атом. Это приводит к распространению кругового фронта растворения вдоль поверхности кристалла. Когда волновой фронт уходит от центра нуклеации достаточно далеко, он запускает новый шаг растворения, что и приводит к образованию концентрических волн, двигающихся вдоль поверхности. Ученые отмечают, что из-за наличия большого количества дефектов на поверхности расходящиеся волны постоянно взаимодействуют между собой, что приводит к образованию поверхности со сложной геометрией и формированию новых реакционных центров.Трехмерная карта скорости растворения на небольшом участке поверхности оксида цинка
MARUM / University of Bremen
Авторы отмечают, что полученные данные для малорастворимых кристаллов можно использовать для изучения кинетики динамического равновесия между процессами растворения и кристаллизации, предсказания скоростей реакций, основанных на растворении кристаллов в микроскопических объемах, и моделирования транспорта веществ внутри пористой среды.Также результаты работы можно будет использовать для разработки устройств для медицинских и химических приложений, основанных на процессе медленного растворения кристаллических веществ в воде: растворяющейся электроники, батарей или биоразлагаемых имплантатов.
Александр Дубов
растворении солей в воде — Справочник химика 21
Интегральная теплота растворения солей в воде прн 25 С…….. [c.199]При растворении соли в воде протекают одновременно два процесса [c.20]
Измерение интегральной теплоты растворения соли в воде [c.55]
Как известно, все соли являются веществами твердыми, причем абсолютное большинство их состоит из ионов. При растворении солей в воде в раствор сразу будут переходить ионы, поэтому соли относятся к сильным электролитам независимо от растворимости. [c.133]
Будем исходить из предположения, что при растворении солей в воде они полностью диссоциируют в ней, поскольку подавляющее большинство солей принадлежит к сильным электролитам. Следовательно, кислотно-основные свойства растворов солей обусловлены свойствами образующихся при растворении катионов и анионов. Многие ионы способны реагировать с водой, в результате чего образуются ионы Н (водн.) или ОН (водн.). Реакции такого типа называются гидролизом. [c.94]
Знание теплоты растворения соли в воде (или другом растворителе) и энергии кристаллической решетки той же соли дает возможность вычислить теплоту сольватации соли, т. е. теплоту образования сольватных оболочек вокруг ионов соли при их взаимодействии с растворителем. Например, теплота сольватации хлористого натрия соответствует процессу [c.71]
Все процессы, встречающиеся в природе, можно разделить на самопроизвольные (естественные) и несамопроизвольные. Самопроизвольные процессы — это такие процессы, которые не требуют затраты энергии извне. Например, процессы перехода теплоты от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, растворение соли в воде, смешение двух газов и т. п. протекают сами собой, т. е. являются самопроизвольными процессами. Несамопроизвольные процессы требуют для своего протекания затраты энергии. Например, при процессе разделения воздуха на кислород и азот обязательно требуется затратить энергию.
Зная теплоту растворения соли в воде (или другом растворителе) и энергию кристаллической решетки той же соли, можно вычислить теплоту сольватации (гидратации). В соответствии с законом Гесса можно записать [c.58]
Как мы видели, силы притяжения существуют не только между атомами, но и между молекулами. Это подтверждается тем, что взаимодействие молекул часто приводит к образованию других, более сложных молекул. Кроме того, газообразные вещества при соответствующих условиях переходят в жидкое и твердое агрегатное состояние. Любое вещество в какой-то мере растворимо в другом веществе, что опять-таки свидетельствует о взаимодействии. Во всех этих случаях обычно наблюдается взаимная координация взаимодействующих частиц, которую можно определить как комплексообразование. Оно имеет место, например, при взаимодействии молекул с ионами, противоположно заряженных ионов и молекул друг с другом и т. п. Так, образующиеся при растворении солей в воде ионы гидратированы, т. е. вокруг них координированы молекулы растворителя. Взаимная координация молекул наблюдается при переходе вещества из газового в жидкое и твердое состояния и пр. [c.94]
ИЗМЕНЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАСТВОРА ПРИ РАСТВОРЕНИИ СОЛИ В ВОДЕ [c.27]
Таким образом, энтропия является мерой неупорядоченности состояния вещества. Все изменения, приводящие к росту беспорядка (увеличение 1 ), приводят и к возрастанию 5. Это нагревание, плавление, испарение (рис. П. 11), а также сублимация, превращение кристаллов в аморфное тело, модификационный переход в состояние, устойчивое при высокой температуре это и расширение газов, и растворение солей в воде, и многие другие процессы, в частности, сопровождающиеся возрастанием объема. Наоборот, все процессы, связанные с увеличением упорядоченности, т. е. противоположные перечисленным, в том числе охлаждение, отвердевание, конденсация, сжатие, кристаллизация из растворов, сопровождаются уменьшением энтропии. [c.93]
М. В. Ломоносов впервые установил отличие между явлениями растворения металла в кислоте и растворением соли в воде. В чем именно оно заключается [c.16]
При растворении солей в воде может происходить гидролиз, т. е. взаимодействие ионов соли с водой, вследствие чего образуется слабый электролит. Этот процесс определяется прежде всего природой самой соли. [c.121]
Естественно, поставить вопрос о роли типа растворителя в процессе образования раствора электролита. Растворение солей в воде происходит вследствие ослабления связей между ионами. По закону Кулона сила взаимного притяжения между ионами пропорциональна произведению зарядов ионов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ионами [c.187]
При растворении соли в воде ионы N- связываются с ионами Н+, полученными при диссоциации молекул воды, при этом образуются мало диссоциирующие молекулы H N. В результате гидролиза образуется избыток ионов гидроксила, поэтому рН>7, реакция раствора — щелочная. [c.162]
При обработке смеси дисульфидом углерода происходит полное растворение серы, подобно тому как бывает при растворении соли в воде. Однако и при этом не происходит превращения вещества. Это доказывается тем, что после испарения дисульфида углерода остается осадок неизменившейся серы. [c.23]
Полярность молекулы воды Н—О—Н объясняет хорошую растворимость в воде ионных соединений. На рис. 17.7 показано растворение солей в воде (более детальное описание см. в разд. 10.8). [c.380]
Растворение солей в воде производится в пластмассовых баках, снабженных лопастной механической мешалкой, из коррозионно-стойких материалов. Так как растворение нашатыря происходит с поглощением тепла, то для ускорения процесса растворения воду предварительно подогревают до 70—80° С. Подогрев воды осуществляется острым паром, который подается по резиновому шлангу, конец которого опущен до дна бака. После полного растворения нашатыря в бак загружается хлористый кальций и отмеренное количество раствора хлористого цинка. После растворения солей раствор охлаждается и разбавляется водой до получения электролита с определенной плотностью. [c.115]
Трудности, связанные с получением представительных проб, вызывающих осложнения глинистых сланцев, привели к тому, что значительная часть исследовательских работ проводилась с бентонитом, а не с глинистыми сланцами. Во время этих исследований игнорировалось важное влияние давления на поведение глинистых сланцев (см. главу 8). Поэтому работы велись в направлении создания специальных буровых растворов, предотвращающихся набухание бентонита, либо путем растворения солей в воде, либо путем замены воды нефтью. [c.61]
С/ — массовая концентрация растворенных солей в воде (минерализация), кг/м (г/л). [c.323]
Для того чтобы использовать формулу (2.250), рассчитаем массовую долю растворенных солей в воде [c.324]
Большинство известных простых и сложных вешеств в обычных условиях представляют собой твердые тела. Одной из важнейших задач современной неорганической химии является исследование свойств твердых тел в зависимости от их состава и структуры. Классические методы химического исследования базировались главным образом на изучении жидких растворов. При растворении исследуемое твердое вещество теряет свою индивидуальность и поэтому весь фактический материал классической химии описывает свойства не самого вещества, а продуктов его взаимодействия с растворителем. Это привело к ошибочным представлениям о характере химического взаимодействия между компонентами в твердых телах. В частности, образование ионов при растворении солей в воде служило доказательством чисто ионного взаимодействия и в твердой фазе, хотя в настоящее время установлено различными методами, что в твердом Na l доля ионности не превышает 82%, а в таком предельно ионном соединении, как sF,—93%. Действительно, для осуществления чисто ионного взаимодействия в Na l необходимо, чтобы величина сродства к электрону для хлора была больше, чем величина первого ионизационного потенциала для натрия ( i>/i, Na). Фактически определенные величины составляют /i,Na = 490,7 кДж/моль, 01 = 357 кДж/моль, т. е. полный переход электрона от натрия к хлору осуществиться не может по энергетическим соображениям. [c.301]
Стандартней 0,01 М раствор нитрата тория готовят растворением соли в воде. Титр раствора устанавливают весовым методом, осаждая оксалат тория и прокаливая его до ТЬОг. При помощи стандартного раствора тория устанавливают титр 0,01 М раствора комплексона III. [c.205]
Приготовлены растворы ЫагСОз, РеС1з и Си804. Напищите по стадиям уравнения реакций гидролиза. На основании чего можно утверждать, что последняя стадия реакции гидролиза не проходит Как осуществить последнюю стадию гидролиза Почему последняя стадия реакции гидролиза в растворе, приготовленном, растворением соли в воде, не проходит [c.79]
Другой путь расчета этой величины основан на данных по растворимости фторидов циркония и по устойчивости ега фторидных комплексов. Растворимость (ЫН4)22гРб в воде при 298,15 К составляет 1,05 М. Расчет равновесного состава раствора по константам устойчивости фторидных комплексов циркония показал, что свыше 99,5 /о циркония находится в виде комплекса 2гРГ. а доля гидролизованных частиц не превышает 10- %. Поэтому уравнение реакции растворения соли в воде можно записать следующим образом [c.220]
Тогда для раствора соляной кислоты энтальпия иона хлора будет равна ДЯс1°= —167,45 кДж/моль. Теплота растворения соли в воде может быть определена на основе цикла Борна — Габера, иллюстрация которого приведена на рис. 15. Причем численные значения энергии диссоциации О известны из спектральных измерений. [c.66]
Иногда, если заранее известен характер изменения условий протекания процесса при изменении температуры, удается найти истинные энергии активации. Так, при растворении солей в воде скорость процесса часто ограничена скоростью отвода продуктов реакции и известна температурная зависимость растворимости соли (ст). Тогда по уравне шю (XXIII. 11) [c.282]
Приготовлены растворы солей ЫагСОз, РеС1з и Си504. Напишите по стадиям уравнения реакций -их гидролиза. Как осуществить последнюю стадию гидролиза Почему она не проходит в растворе, приготовленном растворением соли в воде [c.216]
Общетермодинамические определения теплот растворения и разбавления даны в разд. V. 1.2. Здесь они расшифрованы для конкретного случая растворения соли в воде. [c.387]
При растворении соли в воде, так же как и при других изменениях состояния вещества, наблюдается либо поглощение, либо выделение теплоты. Изучением тепловых эффектов при изменениях, происходящих с веществами, занимается наука термохимия. В основе термохимии лежит открытый в 1840 г. акад. Г. И. Гессом закон, согласно которому тепловой эффект реакции зависит только от начального и конечного состояний реагирующих вещеспю и не зависит от [c.19]
Окраска соединений в растворе зависит от степени окисления атома в ионе и от внешнего поля растворителя. Например, ион Мп + не имеет окраски в водном растворе, а ион Мп04 окрашен в фиолетово-малиновый цвет. Безводный сульфат меди бесцветен, а при растворении соли в воде появляется голубая окраска, вызванная образованием аквакомплексов Си +. Полная замена растворителя может вызвать более сильный эффект. Так, например, раствор хлорида кобальта в воде розовый, а в этиловом спирте — синий. При замене растворителя окраска может по.лностью исчезнуть. [c.27]
Как пример Т. Гротгус рассматривал молекулу воды в виде + — (кислород —, водород -Ь), вторая молекула около нее расположится по полярно-электрическим законам =F z, т. е. получается такое положение, при котором может происходить постоянный обмен элементарных частиц воды. Растворение соли в воде Т. Гротгус рассматривал как электрохимический процесс, который заключается в способности ее расщепляться на свои поляр-но-электрические элементарные частицы без действия электрического тока. Например, молекула КаС1 с молекулой воды соединя- [c.309]
При растворении соли в воде или другом растворителе наблюдается в общем картина, аналогичная бинарным сплавам. Отличие состоит в том, что температуры плавления растворителя и соли очень различны, причем температура плавления соли часто лежит рыше критической температуры растворителя, поэтому системы, лежащие близко к оси соли, не реализуются (правая часть диаграммы на рис. 67). [c.136]
Такое деление хотя и наглядно, но не строго. Например, растворение солей в воде сопровождается обычно поглощением тепла и, следовательно, увеличением О, в то время как А уменьшается (самопроил-вольный процесс). Иными словами, процесс осуществляется не только за счет убыли внутренней энергии системы, но и за счет энергии окружающей среды. [c.48]
В ряде случаев сырой рассол приготавливают под землей, растворяя пласты или купола каменной соли. Для этого в специально пробуренную скважину, достигающую слоя соли и заглубленную в него, В1ВОДЯТ концентрически расположенные трубы. Под напором насосом подают воду в пространство между стенками наружной и внутренней трубы, а из центральной трубы выводят на поверхность раствор хлорида натрия, образовавшийся под землей при растворении соли в воде. [c.46]
Хорошую демонстрацию высаливания можно провести с помощью насыщенного раствора диоксида углерода в воде. Если добавить в раствор NaH Oj небольшое количество кислоты, в ней образуется СО2 и избыточное количество этого газа выделяется из раствора в виде пузырьков. Добавим теперь в насыщенный раствор СО2 щепотку Na l. Растворение соли в воде приводит к ее сильной сольватации. Диоксид углерода вытесняется из раствора в виде маленьких пузырьков газа, что приводит к появлению сильной опалесценции раствора. Аналогичный эффект можно наблюдать, добавляя щепотку соли в стакан сельтерской воды, пива и других освежающих напитков, насыщенных углекислым газом. [c.211]
Какова растворимость газов в воде? — FAQ
Нам известно, что газы могут растворяться в воде. Рыбы дышат растворенным в воде кислородом, морским водорослям растворенный в воде углекислый газ необходим для реакции фотосинтеза – а нам нравится, когда в напитках присутствует шипучий CO2. В данной таблице приводятся коэффициенты растворимости (в литрах газа на литр вода при давлении 1 бар и температуре 20 °C), которые являются критерием растворимости отдельных газов в воде:
| ГАЗ | КОЭФФ.РАСТВОРИМОСТИ |
| Метиламин | 757 |
| Аммиак | 685 |
| Бромистый водород | 532 |
| Хлористый водород | 448 |
| Метилхлорид | 317 |
| Триметиламин | 180 |
| Диметиламин | 118 |
| Диоксид серы | 39 |
| Диметилэфир | 35 |
| Метилмеркаптан | 11 |
| Метилвинилэфир | 3,86 |
| Сероводород | 2,59 |
| Хлор | 2,26 |
| Этиленоксид | 1,89 |
| Винилхлорид | 1,07 |
| Ацетилен | 1,04 |
| Диоксид углерода | 0,879 |
| Динитроген моноксид | 0,665 |
| Арсин | 0,23 |
| Пропилен | 0,23 |
| 1,3-Бутадиен | 0,202 |
| Этилен | 0,119 |
| Оксид азота | 0,048 |
| Этан | 0,043 |
| Пропан | 0,039 |
| Аргон | 0,034 |
| n-Бутан | 0,034 |
| Метан | 0,033 |
| i-Бутан | 0,033 |
| Кислород | 0,031 |
| Оксид углерода | 0,023 |
| Водород | 0,018 |
| Азот | 0,016 |
| Гелий | 0,0083 |
| Гексафторид серы | 0,0056 |
| Тетрафторметан | 0,0038 |
Растворимость – это такой баланс, при котором количество растворенного газа пропорционально парциальному давлению в газообразной фазе над поверхностью воды. Если нам известно атмосферное давление и соответствующая концентрация газа, то можно вычислить максимальную концентрацию растворенного в воде газа, умножив значение парциального давления газа на указанный в таблице коэффициент растворимости:
20.9 об. % кислорода с атмосферным давлением 1000 мбар создают парциальное давление 0.209 бар O2, таким образом, 1 литр воды содержит 0.031 ∗ 0.209 = 0.00648 литра или 6.5 мл кислорода. Азот (парциальное давление 0.791 бар N2) растворяется хуже, 1 л воды содержит 0.016 ∗ 0.791 = 0.01266 л или 12.7 мл азота. В воде у нас 34 об. % кислорода. Рыбы этим довольны.
Газированная вода производится посредством растворением в воде CO2 под давлением 2 бара. Можно вычислить содержание CO2, оно составляет 0.879 ∗ 2 = 1.75 л CO2, растворенных в 1 л воды.
Как вы видите, некоторые газы растворяются в воде очень быстро и очень эффективно. Именно поэтому в качестве мер безопасности широко распространено использование водяных распылителей и “водяных завес”, например, для снижения угрозы здоровью при выбросах значительных объемов аммиака или HCl.
Помните, что растворимость зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше газа можно в ней растворить. По этой причине для растворения загрязняющих газов в воздухе их пропускают сквозь холодную воду, тогда как при нагревании происходит десорбция и высвобождение растворенных в воде газов (часто этому способствует падение давления).
Тонкий слой водяного конденсата на входном отверстии электрохимического сенсора может создать определенные проблемы, растворяя, например, h3S или Nh4, в результате этого уменьшаются показания сенсора.
Отсюда вывод: избегайте образования конденсата!
Состав нефти исследовали с помощью растворения в воде
Метод масс-спектроскопии дает информацию о элементном составе вещества и молекулярной массе, но не всегда в силах различить изомеры. Дополнительную информацию можно получить с помощью изотопного обмена. Этот метод основан на том, что кислород (или водород) в различных соединениях, в данном случае в нефти, с разной интенсивностью замещается своим изотопом — тем же элементом, но обладающим иной массой. Самый удобный и безопасный источник изотопов кислорода и водорода — вода, однако при обычных условиях нефть в ней не растворяется, поэтому ранее применялись высококонцентрированные кислоты или щелочи. Но кислота, особенно при высоких температурах, разрушает органические соединения, тем самым изменяя состав образца.
Тем не менее, известно, что нерастворимые в воде соединения могут быть растворены в перегретой, так называемой сверхкритической воде, температура которой значительно превышает 100°С, поэтому было решено применить этот подход и к нефти. Авторы работы доказали, что при повышении температуры и давления получить водный раствор нефти возможно, и провели анализ ее состава. Образец нагревали до 360°С вместе с тяжелой водой (в которой водород заменен дейтерием) или тяжелокислородной (кислород 16O заменен на 18O) при давлении более 300 атмосфер в течение часа.
Ученые сравнивали масс-спектры исходного образца и образца после реакции обмена. Полученные данные позволили получить больше информации о структуре входящих в состав нефти соединений. Подобный метод может применяться для исследования и других сложных неполярных соединений на молекулярном уровне.
«Изотопные метки могут вставать только в определенные места молекулы по аналогии с принципом ключ-замок. Измеряя количество обменов методом масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения мы можем получать информацию о структуре молекул даже тогда, когда выделить чистое вещество и установить его структуру другими методами невозможно», — отметил руководитель лаборатории масс-спектрометрии Сколтеха, профессор МФТИ Евгений Николаев.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.
Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected].
Соли, растворимость и устойчивость Реакции солей в воде.
Соль можно определить как соединение, которое образуется в результате реакции между кислотой и основанием, но не является водой. В данном разделе будут рассмотрены те свойства солей, которые связаны с ионными равновесиями.
реакции солей в воде
Несколько позже будет показано, что растворимость—это относительное понятие. Однако для целей предстоящего обсуждения мы можем грубо подразделить все соли на растворимые и нерастворимые в воде.
Некоторые соли при растворении в воде образуют нейтральные растворы. Другие соли образуют кислые либо щелочные растворы. Это обусловлено протеканием обратимой реакции между ионами соли и водой, в результате которой образуются сопряженные кислоты либо основания. Окажется ли раствор соли нейтральным, кислым или щелочным-зависит от типа соли. В этом смысле существуют четыре типа солей.
Соли, образуемые сильными кислотами и слабыми основаниями. Соли этого типа при растворении в воде образуют кислый раствор. В качестве примера приведем хлорид аммония Nh5Cl. При растворении этой соли в воде ион аммония действует как
Избыточное количество ионов h4O+, образуемое в этом процессе, обусловливает кислые свойства раствора.
Соли, образуемые слабой кислотой и сильным основанием. Соли этого типа при растворении в воде образуют щелочный раствор. В качестве примера приведем ацетат натрия Ch4COONa1 Ацетат-ион действует как основание, акцептируя протон у воды, которая выступает в этом случае в роли кислоты:
Избыточное количество ионов ОН-, образующихся в этом процессе, обусловливает щелочные свойства раствора.
Соли, образуемые сильными кислотами и сильными основаниями. При растворении в воде солей этого типа образуется нейтральный раствор. В качестве примера приведем хлорид натрия NaCl. При растворении в воде эта соль полностью ионизируется, и, следовательно, концентрация ионов Na+ оказывается равной концентрации ионов Cl-. Поскольку ни тот, ни другой ион не вступает в кислотно-основные реакции с водой, в растворе не происходит образования избыточного количества ионов h4O+ либо ОН . Поэтому раствор оказывается нейтральным.
Соли, образуемые слабыми кислотами и слабыми основаниями. Примером солей такого типа является ацетат аммония. При растворении в воде ион аммония реагирует с водой как кислота, а ацетат-ион реагирует с водой как основание. Обе эти реакции описаны выше. Водный раствор соли, образованной слабой кислотой и слабым основанием, может быть слабокислым, слабощелочным либо нейтральным в зависимости от относительных концентраций ионов h4O+ и ОН-, образуемых в результате реакций катионов и анионов соли с водой. Это зависит от соотношения между значениями констант диссоциации катиона и аниона.
Оглавление:
Правила подготовки к диагностическим исследованиям
Бесшлаковая диета за 2-3 дня до начала подготовки кишки препаратом (при запорах 4-5 дней)
Помните, ограничение диеты имеет очень важное значение! Несоблюдение этого правила может свести на нет всю дальнейшую подготовку и саму процедуру колоноскопии.
Исключить из рациона: фрукты и овощи (как свежие, так и вареные), ягоды, зелень, крупы, бобовые (фасоль, горох, чечевица), зерносодержащие продукты, черный хлеб, грибы, жирные сорта мяса, утка, гусь, консервы, копчености, соленья, жирные сорта рыбы, морские водоросли, острые приправы, алкоголь, квас, газированные напитки, сладости.
Что можно употреблять: очищенный рис, мучные изделия, белый хлеб, супы на нежирном мясном бульоне без добавления овощей, курица в отваренном виде, нежирные сорта рыбы, отваренные куриные яйца, нежирный творог, сыр, натуральный йогурт, нежирный кефир, мёд, растительные масла, дыня, арбуз, некрепкий чай и кофе. При запорах, если пользуетесь слабительными, то прием препаратов следует продолжить в тех же дозах.
Рекомендуется пить достаточное количество жидкости в день – не менее 2-2,5 литров (в том случае, если у пациента нет заболеваний, при которых обильное питьё противопоказано). Это может быть питьевая негазированная вода, нежирные бульоны, морсы, соки без мякоти, чай с сахаром или мёдом, компоты без ягод. Нет необходимости голодать утром в день исследования, если вы больны диабетом. Легкий завтрак (чай с медом или кофе) допустим и не помешает исследованию.
Накануне исследования
Накануне исследования рекомендуется прием прозрачных жидкостей на завтрак и обед (нежирные бульоны, соки и морсы без мякоти и косточек, чай, кофе без сливок, негазированные напитки, вода). Прием жидкостей не ограничен, рекомендовано до 2 литров.
Подготовка препаратом ФОРТРАНС
Начать прием фортранс не раньше, чем через 2 часа после последнего приема прозрачной жидкости. Общий объем раствора фортранс требующийся для хорошей подготовки равен 4 литрам. Раствор Фортранс готовится путем разведения 1 пакетика на 1 литр питьевой негазированной воды комнатной температуры, готовый раствор рекомендуется охладить. Раствор надо пить медленно, приблизительно 1 литр в час, по стакану (250 мл) в течении 15 минут, отдельными глотками, для улучшения вкуса можно выжать ½ лимона или грейпфрута на 1 литр раствора. Во время подготовки рекомендуется двигаться (ходить, выполнять круговые движения корпусом тела, зарядка), возможно выполнение лёгкой домашней работы. Через 1-2 часа от начала приема препарата у Вас появится жидкий стул, опорожнение кишечника завершится через 2-3 часа после последней дозы Фортранс. Если при приеме Фортранс у Вас возникнет ощущение тошноты, прервите прием препарата на полчаса. При рвоте прием Фортранс следует отменить.
Прием препарата следует выполнять в разделенных дозах: 2 литра Фортранс принять накануне с 17.00 по 19.00 ч, и 1-2 литра в день исследования, закончить прием за 3-4 часа до начала исследования).
Подготовка препаратом МОВИПРЕП
Взрослые и лица преклонного возраста в течение курса лечения используют 2 л разведенного лекарства Мовипреп. Предлагается дополнительно выпивать 1 л прозрачной жидкости (вода, нежирные бульоны, фруктовый сок, компоты без мякоти, безалкогольные негазированные напитки, чай). Для приготовления первого литра раствора — содержимое 1 саше А и 1 саше В растворяют в небольшом количестве воды, затем объем раствора доводят водой до 1 л. Второй литр раствора готовится аналогично. Растворение лекарства Мовипреп может длиться до 5 мин. Предлагается сначала высыпать порошок в емкость, смешать с малым количеством воды, постепенно доводя водой до 1 л. Препарат Мовипреп принимают только после полного растворения в воде. Р-р возможно охладить перед применением.
Прием раствора следует разделить на 2 части: первый литр разведенного лекарства Мовипреп принимают вечером (с 18.00), плюс следует выпить еще 0,5 литра негазированный воды, второй литр разведенного лекарства Мовипреп — утром в день проведения клинической процедуры, плюс 0,5 литра негазированной воды (закончить прием за 3-4 часа до начала исследования). Приготовленный р-р надлежит выпивать в течение 1–2 часа, ровными порциями.
Вместе с последней порцией раствора Фортранс или Мовипреп необходимо принять 2 столовых ложки эмульсии «Эспумизан 40». Это уменьшит пенообразование в кишечнике и улучшит визуализацию слизистой во время исследования. После приёма Фортранс, Мовипреп дополнительно можно пить небольшое количество жидкости – до 1 литра (питьевую воду, чай с сахаром или мёдом, компоты без ягод).
За 30-60 минут до исследования
Необходимо принять 20 мг (2 таблетки) препарата Бускопан. Это уменьшит тонус кишки, снизит возможный болевой синдром во время исследования, поможет более тщательному осмотру кишечника.
При подготовке к исследованию препаратом Фортранс и Мовипреп выполнение клизм и дополнительный приём слабительных не требуется!
Несоблюдение рекомендаций по подготовки (приём Фортранс или Мовипреп, рекомендаций по диете и т.д.) может привести к плохой подготовке к исследованию, недостаточно качественному осмотру слизистой оболочки кишечника, поломке эндоскопического оборудования и невозможности проведения колоноскопии.
Если Вы принимаете препараты от повышенного артериального давления — их нужно принять в день исследования, запив небольшим количеством кипяченой воды.
7.5 Водные растворы и растворимость — соединения, растворенные в воде
Цели обучения
- Определите и приведите примеры электролитов.
Когда некоторые вещества растворяются в воде, они претерпевают физические или химические изменения, в результате которых образуются ионы в растворе. Эти вещества составляют важный класс соединений, называемых электролитами. Вещества, не выделяющие ионы при растворении, называются неэлектролитами. Если физический или химический процесс, при котором образуются ионы, практически на 100% эффективен (все растворенное соединение дает ионы), то это вещество известно как сильный электролит.Если только относительно небольшая часть растворенного вещества подвергается процессу образования ионов, это называется слабым электролитом.
Вещества могут быть определены как сильные, слабые или неэлектролиты путем измерения электропроводности водного раствора, содержащего это вещество. Чтобы проводить электричество, вещество должно содержать свободно подвижные заряженные частицы. Наиболее знакомо проведение электричества по металлическим проводам, и в этом случае подвижными заряженными объектами являются электроны.Растворы также могут проводить электричество, если они содержат растворенные ионы, причем проводимость увеличивается с увеличением концентрации ионов. Подача напряжения на электроды, погруженные в раствор, позволяет оценить относительную концентрацию растворенных ионов либо количественно, измеряя электрический ток, либо качественно, наблюдая за яркостью лампочки, включенной в цепь (Рисунок \ (\ PageIndex) {1} \)).
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Растворы неэлектролитов, таких как этанол, не содержат растворенных ионов и не могут проводить электричество.Растворы электролитов содержат ионы, которые пропускают электричество. Электропроводность раствора электролита зависит от прочности электролита.Ионные электролиты
Вода и другие полярные молекулы притягиваются к ионам, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Электростатическое притяжение между ионом и молекулой с диполем называется ионно-дипольным притяжением. Эти аттракционы играют важную роль в растворении ионных соединений в воде.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Когда хлорид калия (KCl) растворяется в воде, ионы гидратируются. Полярные молекулы воды притягиваются зарядами на ионах K + и Cl — . Молекулы воды перед ионами и за ними не показаны.Когда ионные соединения растворяются в воде, ионы в твердом веществе разделяются и равномерно диспергируются по всему раствору, поскольку молекулы воды окружают и сольватируют ионы, уменьшая сильные электростатические силы между ними.Этот процесс представляет собой физическое изменение, известное как диссоциация. В большинстве условий ионные соединения при растворении почти полностью диссоциируют, поэтому они классифицируются как сильные электролиты.
Давайте посмотрим, что происходит на микроскопическом уровне, когда мы добавляем твердый KCl в воду. Ионно-дипольные силы притягивают положительный (водородный) конец полярных молекул воды к отрицательным ионам хлорида на поверхности твердого тела, а отрицательные (кислородные) концы — к положительным ионам калия.Молекулы воды проникают между отдельными ионами K + и Cl — и окружают их, уменьшая сильные межионные силы, которые связывают ионы вместе, и позволяют им переходить в раствор в виде сольватированных ионов, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \) показывает. Уменьшение электростатического притяжения позволяет каждому гидратированному иону в разбавленном растворе двигаться независимо, что приводит к увеличению беспорядка в системе, поскольку ионы меняют свои фиксированные и упорядоченные положения в кристалле на подвижные и гораздо более неупорядоченные состояния. в растворе.Этот повышенный беспорядок ответственен за растворение многих ионных соединений, включая KCl, которые растворяются с поглощением тепла.
В других случаях электростатическое притяжение между ионами в кристалле настолько велико или ионно-дипольные силы притяжения между ионами и молекулами воды настолько малы, что увеличение беспорядка не может компенсировать энергию, необходимую для разделения ионов. , и кристалл нерастворим. Так обстоит дело с такими соединениями, как карбонат кальция (известняк), фосфат кальция (неорганический компонент кости) и оксид железа (ржавчина).
Правила растворимости
Некоторые комбинации водных реагентов приводят к образованию твердого осадка в виде продукта. Однако при некоторых комбинациях такой продукт не получится. Если смешать растворы нитрата натрия и хлорида аммония, реакции не происходит. Можно было бы написать молекулярное уравнение, показывающее реакцию двойного замещения, но оба продукта, хлорид натрия и нитрат аммония, растворимы и останутся в растворе в виде ионов. Каждый ион является ионом-наблюдателем, и нет никакого общего ионного уравнения.Полезно уметь предсказать, когда в реакции произойдет осадок. Для этого вы можете использовать набор руководящих принципов, называемых правилами растворимости (Таблицы \ (\ PageIndex {1} \) и \ (\ PageIndex {2} \)).
| Растворим в воде | Важные исключения (неразрешимые) |
|---|---|
| Все группы IA и NH 4 + соли | нет |
| Все нитраты, хлораты, перхлораты и ацетаты | нет |
| Все сульфаты | CaSO 4 , BaSO 4 , SrSO 4 , PbSO 4 |
| Все хлориды, бромиды и иодиды | AgX, Hg 2 X 2 , PbX 2 (X = Cl, Br или I) |
| Умеренно растворим в воде | Важные исключения (растворимые) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Все карбонаты и фосфаты | Группа IA и NH 4 + соли | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Все гидроксиды | Группа IA и NH 4 + соли; Ba 2+ , Sr 2+ , Ca 2+ трудно растворимый | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Все сульфиды | Группы IA, IIA и NH 4 + соли; Трудно растворимый MgS, CaS, BaS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Все оксалаты | Группа IA и NH 4 + соли | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Особое примечание: Следующие электролиты обладают лишь умеренной растворимостью в воде: CH 3 COOAg, Ag 2 SO 4 , KClO 4.-} \ left (aq \ right) \ rightarrow? \ nonumber \] Возможные осадки в результате реакции двойного замещения представляют собой нитрат цезия и бромид свинца (II). Согласно таблице правил растворимости, нитрат цезия растворим, потому что все соединения, содержащие нитрат-ион, а также все соединения, содержащие ионы щелочных металлов, растворимы. Большинство соединений, содержащих бромид-ион, растворимы, но свинец (II) является исключением. Следовательно, ионы цезия и нитрата являются ионами-наблюдателями, а бромид свинца (II) представляет собой осадок.-} \ left (aq \ right) \ rightarrow \ ce {PbBr_2} \ left (s \ right) \ nonumber \] Пример \ (\ PageIndex {1} \): Растворимость Классифицируют каждое соединение как растворимое или нерастворимое
Решение
Упражнение \ (\ PageIndex {1} \): растворимость Классифицируйте каждое соединение как растворимое или нерастворимое.
СводкаВещества, растворяющиеся в воде с образованием ионов, называются электролитами.Неэлектролиты — это вещества, не образующие ионы при растворении в воде. Правила растворимости позволяют предсказать, какие продукты будут нерастворимы в воде. Материалы и авторствоЭта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или всесторонне) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы: 11.1 Процесс растворения — химия 2eЦели обученияК концу этого раздела вы сможете:
В предыдущей главе этого текста было представлено растворы , определяемые как гомогенные смеси двух или более веществ.Часто один компонент раствора присутствует в значительно большей концентрации, и в этом случае он называется растворителем . Другие компоненты раствора, присутствующие в относительно меньших концентрациях, называются растворенными веществами . Сахар представляет собой ковалентное твердое вещество, состоящее из молекул сахарозы, C 12 H 22 O 11 . Когда это соединение растворяется в воде, его молекулы равномерно распределяются среди молекул воды: C12h32O11 (т) ⟶C12h32O11 (водн.) C12h32O11 (т) ⟶C12h32O11 (водн.)Нижний индекс « вод. » в уравнении означает, что молекулы сахарозы являются растворенными веществами и поэтому индивидуально диспергированы в водном растворе (вода является растворителем).Хотя молекулы сахарозы тяжелее молекул воды, они остаются рассредоточенными по всему раствору; гравитация не заставляет их со временем «оседать». Дихромат калия, K 2 Cr 2 O 7 , представляет собой ионное соединение, состоящее из бесцветных ионов калия K + и оранжевых дихромат-ионов Cr2O72 − .Cr2O72−. Когда небольшое количество твердого дихромата калия добавляется в воду, соединение растворяется и диссоциирует с образованием ионы калия и дихромат-ионы, равномерно распределенные по всей смеси (Рисунок 11.2), как указано в этом уравнении: K2Cr2O7 (т. эта смесь также является водным раствором. Его растворенные вещества, ионы калия и дихромата, остаются индивидуально диспергированными среди молекул растворителя (воды).Фигура 11.2 Когда бихромат калия (K 2 Cr 2 O 7 ) смешивается с водой, он образует однородный раствор оранжевого цвета. (кредит: модификация работы Марка Отта) Ссылка на обучениеПосетите эту виртуальную лабораторию, чтобы просмотреть моделирование растворения обычных ковалентных и ионных веществ (сахара и соли) в воде. Вода используется в качестве растворителя так часто, что слово «раствор» стало для многих обозначать водный раствор. Однако почти любой газ, жидкость или твердое вещество может действовать как растворитель. Многие сплавы представляют собой твердые растворы одного металла, растворенного в другом; Например, пятицентовые монеты США содержат растворенный в меди никель. Воздух — это газообразный раствор, однородная смесь азота, кислорода и некоторых других газов. Кислород (газ), спирт (жидкость) и сахар (твердое вещество) растворяются в воде (жидкости) с образованием жидких растворов.В таблице 11.1 приведены примеры нескольких различных растворов и фаз растворенных веществ и растворителей. Различные типы решений
Стол 11.1 Решенияобладают следующими отличительными чертами:
Формирование решенийОбразование раствора — это пример самопроизвольного процесса, процесса, который происходит в определенных условиях без потребности в энергии от какого-либо внешнего источника.Иногда смесь перемешивают, чтобы ускорить процесс растворения, но в этом нет необходимости; со временем образуется однородный раствор. Тема спонтанности критически важна для изучения химической термодинамики и более подробно рассматривается в одной из последующих глав этого текста. Для целей обсуждения в этой главе достаточно рассмотреть два критерия, согласно которым благоприятствует , но не гарантирует спонтанное формирование решения:
В процессе растворения изменение внутренней энергии часто, но не всегда, происходит по мере поглощения или выделения тепла.Увеличение рассеивания вещества всегда происходит, когда раствор образуется в результате равномерного распределения молекул растворенного вещества в растворителе. Когда силы межмолекулярных сил притяжения между растворенным веществом и частицами растворителя в растворе не отличаются от сил, присутствующих в разделенных компонентах, раствор образуется без сопутствующего изменения энергии. Такое решение называется идеальным. Смесь идеальных газов (или газов, таких как гелий и аргон, которые очень близки к идеальному поведению) является примером идеального решения, так как компоненты, составляющие эти газы, не испытывают значительного межмолекулярного притяжения. Когда контейнеры с гелием и аргоном соединены, газы самопроизвольно смешиваются из-за диффузии и образуют раствор (рисунок 11.3). Формирование этого раствора явно связано с увеличением рассеивания вещества, поскольку атомы гелия и аргона занимают объем, вдвое больший, чем каждый из них до смешивания. Фигура 11,3 Образцы гелия и аргона самопроизвольно смешиваются с образованием раствора. Идеальные решения также могут образовываться при смешивании структурно схожих жидкостей.Например, смеси метанола (CH 3 OH) и этанола (C 2 H 5 OH) образуют идеальные растворы, как и смеси углеводородов пентана, C 5 H 12 и гексан, C 6 H 14 . Размещение метанола и этанола или пентана и гексана в колбах, показанных на рисунке 11.3, приведет к такой же диффузии и последующему смешиванию этих жидкостей, как это наблюдается для газов He и Ar (хотя и с гораздо меньшей скоростью), с получением растворов с нет значительного изменения энергии.Однако, в отличие от смеси газов, компоненты этих жидко-жидких растворов действительно испытывают силы межмолекулярного притяжения. Но поскольку молекулы двух смешиваемых веществ структурно очень похожи, силы межмолекулярного притяжения между подобными и разнородными молекулами по существу одинаковы, и поэтому процесс растворения не влечет за собой какого-либо заметного увеличения или уменьшения энергии. Эти примеры показывают, как только увеличенное рассеяние вещества может обеспечить движущую силу, необходимую для самопроизвольного образования раствора.Однако в некоторых случаях относительные величины межмолекулярных сил притяжения между растворенными веществами и растворителями могут препятствовать растворению. Три типа межмолекулярных сил притяжения имеют отношение к процессу растворения: растворенное вещество-растворенное вещество, растворитель-растворитель и растворенное вещество-растворитель. Как показано на рисунке 11.4, образование раствора можно рассматривать как поэтапный процесс, в котором энергия расходуется на преодоление притяжения растворенное вещество-растворенное вещество и растворитель-растворитель (эндотермические процессы) и высвобождается, когда устанавливается притяжение растворенное вещество-растворитель (экзотермический процесс. называется сольватацией).Относительные величины изменений энергии, связанных с этими пошаговыми процессами, определяют, будет ли процесс растворения в целом высвобождать или поглощать энергию. В некоторых случаях растворы не образуются, потому что энергия, необходимая для разделения растворенных веществ и растворителей, намного превышает энергию, выделяемую при сольватации. Фигура 11,4 На этом схематическом изображении растворения показан поэтапный процесс, включающий эндотермическое разделение растворенных веществ и растворителей (этапы 1 и 2) и экзотермическую сольватацию (этап 3). Рассмотрим пример растворения ионного соединения в воде. Образование раствора требует, чтобы электростатические силы между катионами и анионами соединения (растворенное вещество – растворенное вещество) были полностью преодолены, поскольку между этими ионами и молекулами воды (растворенное вещество – растворитель) устанавливаются силы притяжения. Водородная связь между относительно небольшой долей молекул воды также должна быть преодолена, чтобы принять любое растворенное вещество. Если электростатические силы растворенного вещества значительно превышают силы сольватации, процесс растворения является значительно эндотермическим, и соединение может не растворяться в значительной степени.Карбонат кальция, основной компонент коралловых рифов, является одним из примеров такого «нерастворимого» ионного соединения (см. Рис. 11.1). С другой стороны, если силы сольватации намного сильнее, чем электростатические силы соединения, растворение будет значительно экзотермическим, и соединение может быть хорошо растворимым. Типичным примером этого типа ионного соединения является хлорид натрия, широко известный как поваренная соль. Как отмечалось в начале этого модуля, экзотермические процессы растворения способствуют самопроизвольному образованию раствора, но не гарантируют его.Хотя многие растворимые соединения действительно растворяются с выделением тепла, некоторые растворяются эндотермически. Нитрат аммония (NH 4 NO 3 ) является одним из таких примеров и используется для изготовления холодных компрессов быстрого приготовления, подобных изображенному на рис. 11.5, которые используются для лечения травм. Тонкостенный пластиковый мешок с водой запечатан внутри большого мешка с твердым веществом NH 4 NO 3 . Когда меньший мешок разбивается, образуется раствор NH 4 NO 3 , поглощающий тепло из окружающей среды (поврежденная область, к которой прикладывается упаковка) и обеспечивающий холодный компресс, уменьшающий набухание.Эндотермические растворения, подобные этому, требуют большего количества энергии для отделения растворенных веществ, чем восстанавливается при сольватировании растворенных веществ, но, тем не менее, они являются спонтанными из-за увеличения беспорядка, сопровождающего образование раствора. Фигура 11,5 Холодный компресс мгновенно остывает, когда некоторые соли, такие как нитрат аммония, растворяются в воде — эндотермический процесс. Ссылка на обучениеПосмотрите это короткое видео, иллюстрирующее эндотермические и экзотермические процессы растворения. Температурные изменения растворения | Глава 5: Молекула воды и растворениеПозвольте ученикам почувствовать изменение температуры в активированном холодном компрессе и активированном горячем компрессе.Скажите студентам, что они узнают, как действуют некоторые горячие и холодные компрессы. Намекните им, что это связано с растворением, которое они изучали в этой главе. Материалы для демонстрации
Процедура
Ожидаемые результатыХолодный компресс быстро становится холодным, тогда как горячий компресс быстро нагревается. Проведите демонстрацию, чтобы показать, как работают холодные и горячие компрессы.Примечание: в этой демонстрации 1 чайная ложка каждого вещества растворяется в 10 мл воды. Поскольку цель этой демонстрации — показать, просто повышается или понижается температура, этот тип измерения объема вполне подойдет. Но чтобы сравнить, какое вещество является более или менее экзотермическим или эндотермическим, чем другое, как это будут делать студенты в упражнении, растворенное вещество будет измеряться в граммах. Материалы для демонстрации
Процедура
Ожидаемые результатыРастворение вещества из холодного компресса приведет к снижению температуры до менее 10 ° C (эндотермический). Растворение вещества из горячего пакета вызовет повышение температуры до более 40 ° C (экзотермический эффект). Результаты могут отличаться. Введите термины эндотермический и экзотермический.Сообщите студентам, что ученые описывают изменения температуры, возникающие при взаимодействии веществ, как эндотермические или экзотермические.При понижении температуры, как в холодном компрессе, процесс эндотермический. Когда температура повышается, как это происходит в горячей упаковке, процесс является экзотермическим. Расскажите о растворении, которое студенты будут выполнять, и помогите студентам определить переменные.Скажите учащимся, что они сравнят, насколько изменится температура при растворении четырех бытовых веществ в воде.Введите кристаллы, которые ученики растворят:
Спросите студентов:
Подробнее о подсчете молекул читайте в разделе «Информация для учителя». Примечание. Сравнивать величину изменения температуры для разных веществ путем растворения одинаковой массы каждого вещества в одинаковом количестве воды можно на уровне средней школы. Однако более строгий подход состоит в том, чтобы растворить одинаковое количество частиц (молекул или ионных единиц) каждого вещества в одном и том же количестве воды. Попросите учащихся следить за изменениями температуры, когда они растворяют в воде четыре различных бытовых раствора.Вопрос для расследованияКакое растворенное вещество растворяется в воде наиболее эндотермически, а какое — наиболее экзотермически? материалов для каждой группы
Процедура
Ожидаемые результатыХлорид калия растворяется наиболее эндотермически, а хлорид кальция растворяется наиболее экзотермически. Показания температуры учащихся будут отличаться, но, скорее всего, будут примерно такими: Обсудите наблюдения студентов.Спросите студентов:
Покажите студентам анимацию растворения и объясните, что энергия создания и разрыва «связей» во время растворения вызывает изменение температуры.Спроецируйте анимацию «Разрушение и создание узы». Сообщите учащимся, что в химии есть важное правило: энергия требуется, чтобы разделить атомы, ионы или молекулы, которые притягиваются друг к другу. Но когда атомы, ионы или молекулы собираются вместе, высвобождается энергия. Один из способов сказать это: «Требуется энергия, чтобы разорвать связи, и энергия высвобождается, когда связи образуются». Спроектируйте анимацию «Энергия и растворение». Нажмите кнопку «Далее» и объясните, что это происходит при растворении. Когда молекулы воды притягиваются к молекулам или ионам вещества и связываются с ними, выделяется некоторая энергия, как показано стрелкой, выходящей наружу. Затем молекулы воды растягивают ионы или молекулы вещества, что отнимает энергию, как показано стрелкой, идущей внутрь. Спроецировать изображение Экзотермическое растворение. Процесс растворения является экзотермическим, когда при «связывании» молекул воды с растворенным веществом выделяется больше энергии, чем используется для разделения растворенного вещества.Поскольку выделяется больше энергии, чем используется, молекулы раствора движутся быстрее, вызывая повышение температуры. Спроецировать изображение Эндотермическое растворение. Процесс растворения является эндотермическим, когда при «связывании» молекул воды с растворенным веществом выделяется меньше энергии, чем используется для разделения растворенного вещества. Поскольку выделяется меньше энергии, чем используется, молекулы раствора движутся медленнее, вызывая снижение температуры. Узнайте, может ли процесс кристаллизации вызвать изменение температуры.Спроецируйте видео «Грелка для рук». В грелке для рук молекулы воды и ионы растворенного вещества объединяются, образуя кристалл. При изгибе металлического диска образуются крошечные царапины, которые действуют как точки зарождения кристаллов ацетата натрия. Когда молекулы воды и ионы связываются вместе в растущем кристалле, высвобождается энергия. Это приводит к повышению температуры. Жидкости, растворяющиеся в жидкости, также могут вызывать изменение температуры.Спроецировать видео «Температура алкоголя в воде». Объясните, что «связывание» молекул воды с молекулами спирта высвобождает больше энергии, чем требуется для отделения молекул спирта друг от друга. Это приводит к повышению температуры. Реакция растворения — обзор7.2.5 Потенциал коррозии и теория смешанного потенциалаПотенциал коррозии — это разность потенциалов на границе раздела металл / раствор, когда металл погружен в водный раствор, и измеряется относительно электрода сравнения. (е.г., стандартный водородный электрод). Сумма токов, связанных с реакциями анодного растворения, должна быть равна сумме катодных реакций при потенциале коррозии. При потенциале коррозии окисление металла и восстановление частиц в растворе происходят одновременно на границе раздела металл / электролит. Потенциал коррозии находится между восстановительным потенциалом реакции восстановления и восстановительным потенциалом реакции окисления (см. Рисунок 3.4 в главе 3).Чистый измеряемый ток равен нулю, и коррозионный металл является нейтральным по заряду при потенциале коррозии. Это состояние может быть представлено следующим выражением [7.29] IA + IC = 0 , где
В процессах коррозии анодному току обычно присваивается положительный знак, а катодному — отрицательный.Хотя анодные реакции зависят от состава металла, преобладающими катодными реакциями в аэрированном водном растворе с pH от нейтрального до щелочного являются реакции восстановления кислорода и восстановления воды [7,15] O2 + 2h3O + 4e− → 4OH− [7.30] 2h3O + 2e− → h3 + 2OH− Восстановление кислорода является доминирующей реакцией для большинства корродирующих систем в щелочной среде. Реакция восстановления воды протекает очень медленно и вносит значительный вклад только при очень низких значениях потенциала коррозии.Стандартный электродный потенциал для реакции восстановления воды составляет — 0,827 В по сравнению со стандартным водородным электродом сравнения в щелочной среде (также представлен как — 0,827 В SHE , где В обозначает единицу вольт, а нижний индекс SHE является аббревиатурой для стандартный водородный электрод сравнения). Следовательно, эта реакция не будет преобладать при потенциалах коррозии выше -0,827 В SHE . В кислых растворах преобладающими катодными реакциями являются реакции выделения водорода и восстановления кислорода, выраженные как [7.7] 2H ++ 2e− → h3 [7.31] O2 + 4H ++ 4e− → 2h3O В кислых растворах газообразный водород выделяется на катоде в результате реакции восстановления водорода, и в результате реакции восстановления кислорода образуется вода. Реакция восстановления кислорода более вероятна в кислой среде, если потенциал коррозии выше 0,0 V SHE . Однако, если потенциал коррозии меньше 0,0 В SHE , то обе реакции восстановления будут доминировать в катодной области.Относительное количество тока, производимого каждой реакцией, зависит от индивидуальной кинетической скорости. Потенциал коррозии измерить относительно легко. Его можно измерить либо при проведении поляризационных измерений, либо с помощью электрода сравнения и вольтметра в полевых исследованиях. Чтобы измерить потенциал коррозии металлической конструкции в полевых исследованиях, металлическую конструкцию и электрод сравнения подключают к вольтметру с высоким импедансом. В идеальных условиях между электродом сравнения и рабочим электродом не должен протекать чистый ток.Однако для измерения падения потенциала необходим небольшой ток. Показания вольтметра — это потенциал коррозии электрода относительно электрода сравнения. Измеренный потенциал содержит ошибку падения «IR». Эта ошибка возникает из-за очень небольшого тока, протекающего между контрольным и рабочим электродом. Погрешность падения «ИК» может быть выше при низкой проводимости электролита. Поэтому для уменьшения падения «ИК» рекомендуется размещать электрод сравнения близко к поверхности электрода.Электрод сравнения, расположенный далеко от рабочего электрода, приведет к большей погрешности в падении потенциала коррозии. При измерении потенциала поляризованной конструкции, такой как заглубленный трубопровод, подлежащий катодной защите, потенциал, измеренный относительно электрода сравнения, будет содержать значительную ошибку падения «ИК». Эта ошибка возникает из-за сопротивления почвы, помещенной между трубопроводом и электродом сравнения. Ток может быть мгновенно прерван во время измерения потенциала для корректировки эффекта «IR». По определению, потенциалы коррозии обычно относятся к измерениям разомкнутой цепи (отсутствие тока). Эти два термина — потенциал холостого хода и потенциал коррозии — взаимозаменяемы в литературе по коррозии. Чистый ток на электроде равен нулю при разомкнутой цепи и потенциале коррозии. Однако в этой главе между этими двумя терминами проводится различие. Потенциал холостого хода — это измеренный потенциал относительно электрода сравнения, когда электрод подключен к потенциостату.Потенциал коррозии — это точка перехода между катодной и анодной областями на кривой потенциодинамической поляризации (дополнительные сведения о методе потенциодинамической поляризации см. В главе 3). Измеренное значение коррозии и потенциала холостого хода должны быть одинаковыми. Однако может наблюдаться разница в несколько милливольт. Эта разница возникает из-за наличия оксидного слоя на поверхности электрода. При измерении поляризационной кривой электрод сначала поляризуется до катодного значения.Это действие приводит к удалению оксидного слоя, присутствующего на поверхности электрода. Затем потенциал постепенно изменяется в анодном направлении. Переход между катодной и анодной кривой отмечен резким провалом измеренного тока. В этой переходной точке регистрируется потенциал коррозии. Поляризационные эксперименты широко используются в исследованиях коррозии. Эти эксперименты предоставляют полезную информацию, такую как потенциал коррозии, потенциал точечной коррозии и потенциал репассивации.Поляризационные эксперименты проводятся в аэрированных и деаэрированных растворах. Поляризационные эксперименты также предоставляют информацию о кинетике анодных и катодных реакций, происходящих на границе раздела металл / раствор. Кривая поляризации может быть разложена с использованием теории смешанного потенциала, чтобы понять кинетику различных электрохимических реакций, происходящих на поверхности электрода. Предпосылка теории смешанного потенциала состоит в том, что каждую электрохимическую реакцию, происходящую на границе раздела металл / раствор, можно рассматривать независимо (Davis, 2000).Диаграммы смешанных потенциалов также называются диаграммами Эванса. В теории смешанного потенциала любую электрохимическую реакцию можно алгебраически разделить на отдельные реакции окисления и восстановления. Диаграмма Эванса для металлического цинка в соляной кислоте представлена на рисунке 3.4 главы 3. На рисунке изображена диаграмма Эванса реакции растворения металлического цинка, заданная формулой [7.12] Zn → Zn2 ++ 2e− и Диаграмма Эванса реакции восстановления водородом по формуле [7.7] 2H ++ 2e− → h3 Обе реакции полуячейки происходят на одной и той же поверхности металла. Реакции восстановления помогают поддерживать анодное растворение цинка за счет поглощения электронов, образующихся при окислении металла. Обе реакции имеют потенциал электрода полуэлемента и соответствующую плотность тока обмена, как показано на рисунке 3.4 главы 3. Поскольку обе реакции полуэлемента должны сосуществовать на одной и той же металлической поверхности, каждая реакция должна поляризоваться до общего промежуточного значения потенциала. Это значение называется потенциалом коррозии и обозначено на рисунке 3 как E corr .4 главы 3. Потенциал коррозии также называют смешанным потенциалом, поскольку он является результатом динамического равновесия между реакциями окисления и восстановления на поверхности электрода. В аэрированных электролитах E corr также является функцией содержания кислорода и транспортных характеристик растворенного кислорода. Когда уровень кислорода низкий, наблюдается более отрицательный потенциал коррозии, что можно объяснить более низкой скоростью коррозии. Если происходит несколько катодных реакций, потенциал коррозии определяется, когда сумма кривой катодного тока пересекает кривую анодного тока на диаграмме Эванса.В этой главе представлен пример теории смешанного потенциала для коррозии железа. Этот пример также показывает влияние более чем одной катодной реакции на потенциал коррозии. Для свободно корродирующего железа в растворе от нейтрального до щелочного, реакция анодной коррозии [7.6] Fe → Fe2 ++ 2e− должна уравновешиваться реакцией восстановления кислорода [7.15] O2 + 2h3O + 4e− → 4OH− Если потенциал достаточно низкий, реакция восстановления воды также будет протекать вместе с реакцией восстановления кислорода. [7.30] 2h3O + 2e− → h3 + 2OH− Плотность анодного тока, генерируемого реакцией окисления железа, может быть выражена как [7,32] ia, Fe = 10V − Ea, Feβa, Fe − 10V − Ec , Feβc, Fe , где
Наклоны анодного и катодного тафеля вычисляются из поляризации график, где ток отложен на l огарифмическая шкала (дополнительные подробности см. в главе 3).Выражение для плотности тока, представленное уравнением [7.32], является вариацией уравнения Батлера – Фольмера (Бард и др. , 1989), которое широко используется в литературе по электрохимии. Общее представление уравнения Батлера – Фольмера имеет четыре экспериментально определенных параметра: 1. плотность тока обмена; 2. равновесный потенциал; 3. коэффициент анодного переноса заряда; и 4. катодный коэффициент переноса заряда. Точно так же плотность тока, представленная уравнением [7.32] также содержит четыре параметра ( E a, Fe , E c, Fe , β a, Fe , β c, Fe ), которые определяются экспериментально. Первый член в правой части уравнения [7.32] представляет плотность тока, обусловленную анодной реакцией, а второй член обусловлен обратной или катодной реакцией. При моделировании кинетики растворения железа вторым членом можно пренебречь, поскольку катодный вклад в анодной области будет пренебрежимо малым.Следовательно, плотность тока, обусловленная реакцией коррозии, определяется выражением [7.33] ia, Fe = 10V-EFe / βFe , где E a, Fe и β a, Fe (см. Уравнение [7.32] заменяется на E Fe и β Fe , соответственно. Катодный ток, генерируемый в результате реакции восстановления кислорода, определяется как [7.34] ic, O2 = 10V − Ea, O2βa, O2−10V − Ec, O2βc, O2 , где
Первый член уравнения [7.34] можно пренебречь, поскольку анодный вклад в катодной области будет пренебрежимо мал для реакции восстановления кислорода. Следовательно, ток, генерируемый реакцией восстановления кислорода, равен [7,35] ic, O2 = -10V-EO2 / βO2 , где Ec, O2 заменяется на EO2, а βc, O2 заменяется на βO2. График поляризации катодной части реакции восстановления кислорода показан на рис. 7.2. Этот график поляризации можно разделить на две части. Первая часть, где падение потенциала на границе раздела металл / раствор является движущей силой реакции, называется областью поляризационной кривой, контролируемой активацией.Во второй части поляризационной кривой диффузия растворенного кислорода к поверхности металла контролирует ток на границе раздела металл / раствор. В этой области скорость реакции восстановления кислорода выше по сравнению с диффузией растворенного кислорода. Другими словами, как только молекулы кислорода достигают поверхности металла, они вступают в реакцию с доступными электронами на поверхности металла с образованием гидроксильных ионов. По этой причине этот участок кривой называется концентрационной поляризацией.Плотность тока из-за реакции восстановления кислорода контролируется массопереносом кислорода к поверхности электрода, и соответствующий измеренный ток представляет собой ток, ограниченный массопереносом. В области концентрационной поляризации плотность тока восстановления кислорода не изменяется с потенциалом. Выражение для плотности тока восстановления кислорода модифицируется в соответствии со следующим уравнением, чтобы учесть ток, ограниченный массопереносом, в выражении кинетической скорости (Nisancioglu, 1987) 7.2. Графики поляризации реакции восстановления кислорода в нейтральном и щелочном растворах для трех значений ограниченного тока массопереноса, обозначенных как i 1 , i 2 и i 3 , где i 1 & gt; i 2 & gt; i 3 . Горизонтальная линия разграничивает активационную и концентрационную части поляризационной кривой. В областях активации три графика накладываются друг на друга для части диапазона межфазного потенциала. [7.36] ic, O2 = −1ilim, O2−10V − EO2 / βO2−1 где ilim, O2 обозначает ток, ограниченный массопереносом. В растворах от нейтральных до щелочных в результате реакции восстановления кислорода также может образовываться перекись водорода H 2 O 2 (Jones, 1992). Однако экспериментальное исследование, проведенное Jovancicevic et al. (1986) указывает, что реакция восстановления кислорода в основном протекает по четырем электронным путям с небольшим количеством H 2 O 2 в качестве промежуточных частиц на чистом железе. Если потенциал коррозии достаточно низкий, реакция восстановления воды также будет протекать вместе с реакцией восстановления кислорода. Механизм реакции восстановления воды является предметом исследования (Jerkiewicz, 1998; Chialvo, Chialvo, 2000). Катодный ток из-за восстановления воды определяется как [7.37] ic, h3 = 10V − Ea, h3βa, h3−10V − Ec, h3βc, h3 , где
Первый член справа -ручная часть уравнения [7.37] в катодной области можно пренебречь, что дает [7.38] ic, h3 = -10V-Eh3 / βh3 , где Ec, h3 заменяется на Eh3, а βc, h3 заменяется на βh3. Чистая плотность тока, обусловленная i net для коррозии железа, определяется суммой плотностей тока, обусловленной отдельными электрохимическими реакциями [7.39] inet = ia, Fe + ic, h3 + ic, O2 Диаграмма Эванса для реакций коррозии железа, выделения водорода и восстановления кислорода представлена на рис.7.3. Расчетный график поляризации, представляющий результирующий ток в зависимости от потенциала, также показан на рис. 7.3. Параметры, используемые в уравнениях [7.33], [7.36] и [7.38], приведены в таблице 7.1. Точка пересечения ic, O2 и i a, Fe определяет потенциал коррозии свободно корродирующего железа. Реакция восстановления воды в этом примере оказывает незначительное влияние на потенциал коррозии, поскольку катодный ток из-за этой реакции незначителен. Однако в деаэрированном растворе потенциал коррозии будет определяться пересечением точек i c, h3 и i a, Fe . 7.3. График поляризации для корродирующего железа, показывающий межфазный потенциал в зависимости от плотностей тока для анодного растворения железа i Fe , выделения водорода ih3, восстановления кислорода iO2 и плотности тока нетто. Таблица 7.1. Значения параметров, используемые в уравнениях [7.33], [7.36] и [7.38] для расчета диаграммы зависимости тока от потенциала для реакций окисления железа, восстановления кислорода и восстановления воды
Для потенциала более положительного, чем E corr , чистая плотность тока является анодной. В анодной области реакция коррозии железа доминирует над реакциями восстановления воды и кислорода, и i net ≈ i a, Fe .При потенциалах менее E или в чистом токе преобладают катодные реакции. В диапазоне потенциалов E corr > V > — 0,1 произошло большое изменение абсолютного значения i net с приложенным потенциалом. При В > — 0,1 В SHE изменение плотности тока с приложенным потенциалом значительно уменьшилось, так как было достигнуто i lim, O2 .Для В <- 0,2 В SHE изменение плотности тока с приложенным потенциалом возобновлялось, поскольку реакция выделения водорода становилась более благоприятной. Для V <- 1 V SHE графики для абсолютного значения i c, h3 и i net накладываются друг на друга. Этот пример показывает, что при наличии достаточной информации об электрохимической реакции теория смешанного потенциала может использоваться для расчета потенциала коррозии и тока коррозии.Однако на практике для уверенного построения диаграммы Эванса доступно очень мало данных. Как правило, для определения поляризационного графика используются экспериментальные методы, такие как методы поляризации, которые затем интерпретируются с использованием теории смешанного потенциала. Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookieЭтот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт. Настройка вашего браузера для приема файлов cookieСуществует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:
Почему этому сайту требуются файлы cookie?Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня. Что сохраняется в файле cookie?Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется. Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать. Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookieЭтот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт. Настройка вашего браузера для приема файлов cookieСуществует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:
Почему этому сайту требуются файлы cookie?Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня. Что сохраняется в файле cookie?Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется. Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать. Лаборатория 11 — Термодинамика растворения солиОрганизация
Использовать калориметрию для расчета энтальпий растворения нескольких солей и рационализировать тенденции, используя межмолекулярные силы между солями и водой.
I: Справочная информацияВ результате самопроизвольной реакции реагенты превращаются в продукты без какого-либо внешнего воздействия.Чтобы перекатить камень с вершины холма к основанию холма, нужно только перевернуть камень через край, и порода превратится из реагента (порода на вершине холма) в продукт (порода внизу холма) без дополнительной помощи. Это пример спонтанного процесса. Однако движение в другую сторону, от скалы у подножия холма к скале на вершине холма, не является спонтанным процессом и требует постоянного внешнего воздействия в виде того, что кто-то толкает камень вверх по холму.Как правило, вид внешнего воздействия, необходимого для запуска несамопроизвольного процесса, — это постоянный подвод энергии. Термин «спонтанный», применяемый к химическим реакциям, специфичен для образования продуктов из реагентов. Другой термин, используемый для самопроизвольного превращения реагентов в продукты, — «предпочтительный продукт». Термодинамика — это область изучения тепла ( thermo ) и работы ( dynamic ), то есть потока энергии, который происходит во время химических или физических изменений.Изменение энергии, которое сопровождает химическое или физическое изменение, определяет, является ли это изменение спонтанным или благоприятным для продукта. Иногда энергия выделяется во время химического или физического изменения (при сжигании бензина или дерева выделяется тепло), а иногда энергия поглощается во время химического или физического изменения (твердая вода поглощает тепло и плавится в жидкость). Когда энергия высвобождается во время химического или физического изменения, ее можно рассматривать как продукт этого процесса. Когда энергия поглощается во время химического или физического изменения, ее можно рассматривать как реагент для процесса.Одним из компонентов термодинамического изменения, связанного с химическим или физическим изменением (например, фазовым переходом), является изменение энтальпии на , Δ H , а другим компонентом является изменение энтропии на , Δ S . Каждый из этих терминов влияет на термодинамическую судьбу химического или физического изменения, но именно комбинация этих терминов определяет, благоприятствует ли изменение продукту или нет. Многие процессы, в которых предпочтение отдается продукту, представляют собой процессы, в которых продукты имеют более низкую энергию, чем реагенты; как камень на холме, спонтанное изменение направлено на более низкое энергетическое состояние.Мы не будем обсуждать энтропию в CHEM 115, а сосредоточимся исключительно на энтальпии. В термодинамике используются общеупотребительные английские слова и термины, но при этом используются очень специфические значения этих слов и терминов в данной области. Мы должны знать термодинамическое значение терминов, используемых, чтобы начать обсуждение изменений энтальпии, связанных с химическим процессом.Системы и окружениеСистема определяется как химические вещества, участвующие в химической реакции или фазовом переходе. Окружение определяется как все вокруг системы, включая растворитель, химические стаканы, термометры, комнату и экспериментатора.Все анализы термодинамических параметров выполняются с точки зрения системы, протекающей химической реакции, но все измерения выполняются из окружающей среды. Например, повышение температуры может происходить во время химической реакции. Это увеличение измеряется в окружающей среде с помощью термометра, но интерпретация этого изменения температуры заключается в том, что система отдает тепло в окружающую среду, вызывая повышение температуры в окружающей среде. Используя символ q для обозначения потока тепла, мы можем записать это соотношение как q система = — q окружающая среда .ΔH , Изменение энтальпии и термохимия Термохимия — это исследование изменения энергии, связанного с химическими реакциями. Многие химические реакции сопровождаются обменом энергии в виде тепла между системой и окружающей средой. Когда реакции проводятся при постоянном давлении (например, в открытых контейнерах в химической лаборатории), изменение тепла пропорционально изменению энтальпии, Δ H . Условно, если тепло выделяется из химической системы в окружающую среду, эта реакция классифицируется как экзотермическая , и знак изменения энтальпии отрицательный (Δ H экзотермический, тепла, выделяемого системой ).Если тепло поглощается системой из окружающей среды, эта реакция классифицируется как эндотермическая , и знак изменения энтальпии положительный (Δ H > 0, эндотермический , тепло, поглощаемое системой ). Температурные изменения в окружающей среде легко измерить с помощью термометра. Подумайте на мгновение, как эти изменения энтальпии будут измеряться в окружающей среде. Если реакция экзотермическая, будет ли температура в окружающей среде увеличиваться или уменьшаться? Будет ли это измеряться как повышение или понижение температуры? Процессы, в которых предпочтение отдается продукту, — это процессы, в которых энергия выделяется, когда реагенты образуют продукты.Экзотермические реакции (Δ H благоприятствуют образованию продуктов, но знак Δ H сам по себе не определяет, будет ли продукт образовываться спонтанно.Использование растворения ионных соединений в воде для исследования термодинамикиНекоторые ионные соединения легко растворяются в воде, а другие нерастворимы. Некоторые ионные соединения выделяют тепло при растворении в воде, а другие поглощают тепло. Будет ли процесс растворения данного ионного соединения выделять или поглощать тепло, зависит от силы межмолекулярных сил, удерживающих твердое тело вместе, а также сил между ионами и водой после растворения.В этом упражнении вы изучите растворение различных солей в воде.Межмолекулярные силы способствуют энтальпии раствораВо время растворения растворенного вещества в растворителе существуют силы притяжения между частицами растворенного вещества, которые необходимо разрушить, и силы притяжения между молекулами растворителя, которые необходимо разрушить (рис. 1). Для образования раствора между растворенным веществом и растворителем должны формироваться межмолекулярные силы (рис. 1). Раствор образуется только в том случае, если силы притяжения между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя аналогичны по силе и виду, как межмолекулярные силы растворенное вещество-растворенное вещество и межмолекулярные силы растворитель-растворитель.Частицы растворенного вещества будут ассоциироваться с частицами растворителя только в том случае, если им «нравятся» частицы растворителя в той же или большей степени, чем они «нравятся» другим частицам растворенного вещества: подобное растворяется в подобном. Для образования раствора частицы растворенного вещества должны быть отделены друг от друга, как и частицы растворителя. Затем частицы растворенного вещества и частицы растворителя должны притягиваться друг к другу. В процессе растворения требуется энергия для преодоления сил притяжения между частицами растворенного вещества и между частицами растворителя.Когда растворенное вещество и частицы растворителя образуют переходную нековалентную связь из-за межмолекулярных сил, энергия будет высвобождаться. Изменение энтальпии, которое происходит во время растворения, можно смоделировать как разницу в энергии между силами притяжения, нарушенными в реагентах (растворенное вещество-растворенное вещество и растворитель-растворитель), и силами притяжения, образованными между продуктами в растворе (растворенное вещество-растворитель).(1)
II: УпражненияЧасть A: Прогнозирование растворимости при растворении солейВоспроизведите Таблицу 1 в своем блокноте.
1 Укажите формулу для каждого ионного соединения в таблице.2 Напишите сбалансированную реакцию растворения каждой соли в воде, включая физические состояния. Принято считать, что вода не входит в уравнение и просто записывается реагент как твердое ионное соединение, а продукт — как ионы в водном растворе. Ниже приведен пример реакции растворения ионного соединения в воде.NaCl ( с ) → Na + ( водн. ) + Cl — ( водн. ) Когда растворимое ионное соединение помещается в воду, твердое вещество превращается в продукт реакции растворения — твердое вещество исчезает, превращаясь в растворенные ионы в растворе.3 Используйте правила растворимости, чтобы определить, является ли соль растворимой или нерастворимой, и введите эту информацию в таблицу.4 Для каждого ионного соединения решите, благоприятствует ли реакция растворения продукту, и введите эту информацию в таблицу. На языке термодинамики мы могли бы сказать, что реакция растворения — это с предпочтением продукта , если продукт (предположительно) растворим.5 Проверьте свое предсказание. Разделив работу на 4 человек, заполните одну пробирку примерно наполовину дистиллированной водой для каждой соли и поместите небольшую лопатку, полную соли, в каждую пробирку.Встряхните, чтобы перемешать, или перемешайте палочкой для перемешивания.6 Обсудите со своей группой для каждой соли следующее.
Часть B: НаблюденияИзменение температуры при растворении солей Каждый ученик выполняет Часть B индивидуально.Исследуемые соли: нитрат аммония, хлорид кальция, карбонат магния и четвертая соль по вашему выбору — хлорид натрия, нитрат натрия, сульфат магния, ацетат натрия или карбонат натрия. Воспроизведите таблицу 2 ниже, чтобы записать свои наблюдения для этой части упражнения. Как всегда, все наблюдения, интерпретации этих наблюдений, данные и ответы на вопросы в упражнении должны быть записаны в вашей лабораторной тетради.
1 Подготовьте калориметр для кофейной чашки, поместив одну кофейную чашку из пенополистирола в другую.2 С помощью градуированного цилиндра отмерьте 50 мл холодной водопроводной воды и налейте ее в кофейную чашку. Запишите температуру воды.3 Взвесьте ~ 5 грамм аммиачной селитры. Запишите вес соли. Добавьте соль в воду и перемешайте, чтобы она растворилась — для перемешивания используйте палочку для перемешивания, а не термометр. Наблюдайте за изменениями температуры во время растворения соли.Запишите самую высокую или самую низкую наблюдаемую температуру как конечную температуру.4 Проведите этот эксперимент для трех других солей, однако используйте только ~ 2 грамма карбоната магния, но ~ 5 граммов других солей.5 В своем лабораторном отчете используйте следующую информацию, чтобы рассчитать тепло, передаваемое при растворении ваших солей, и изменение молярной энтальпии растворения. Включите соответствующие знаки.C с (вода) = 4.18 Дж / г · ° C Плотность воды = 0,997 г / мл Часть C: Анализ процесса растворения и изменения энтальпииСоберитесь в группы по 3-4 человека. Сравните результаты из Части B и повторите растворение любой соли, если есть расхождения. Для каждой соли по очереди рассмотрите реакцию, которая произошла при добавлении соли в воду.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
