Что такое гидраты сольваты гидратация сольватация
Механизм образования растворов. Сольваты. Гидраты.
Классификация растворов. Основные понятия растворов.
Раствор– гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах без скачкообразного изменения её свойств.
Обычно компоненты раствора разделяют на растворитель и растворенное вещество.
Растворителемсчитается то вещество, количество которого преобладает в данной системе и находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор.
По агрегатному состоянию растворы подразделяются на:
| Газообразные Например:воздух является раствором О2, Н2, СО2 и т.д. в азоте N2, т.е. растворитель – азот N2 (Воздух можно отнести и к смесям, т.к. компоненты его практически не взаимодействуют между собой) | Жидкие Г-Ж (кислород в воде) Ж-Ж (спирт в воде) Т-Ж (морская вода) | Твёрдые Г-Т (водород в платине) Ж-Т (ртуть в серебре) Т-Т (сплавы: серебро в золоте) Нержавеющая сталь представляет собой раствор содержащий 18%Cr, 9% Ni, ≈0,5%C в γ-Fe |
По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор и удаляющихся из раствора, различают растворы насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные.
Насыщенным называется раствор, находящийся в равновесии с твердой фазой растворенного вещества и содержащий максимально возможное при данных условиях его количество (имеет место динамическое равновесие). (Насыщенный раствор – раствор, находящийся в фазовом равновесии с растворяемым веществом).
Раствор, концентрация которого ниже концентрации насыщенного раствора, называется ненасыщенным.
Пересыщенный раствор – неустойчивый раствор, в котором содержание растворенного вещества больше, чем в насыщенном растворе этого же вещества при тех же значениях температуры и давления.
Состав раствора может быть выражен как качественно, так и количественно. Обычно при качественной оценке растворов применяют такие понятия, как разбавленныйи концентрированный; эта оценка весьма условна.
Например, концентрированный раствор H2SO4 – 98 %, и концентрированный раствор HCl– 38%.
Растворы, содержащие большое количество растворенного вещества, называются концентрированными, а с малым содержанием растворенного вещества – разбавленными.
Механизм образования растворов. Сольваты. Гидраты.
Исторически сложились два подхода к образованию растворов – физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, основоположником которой был Д.И. Менделеев.
Физическая теория растворов- предложена Вант-Гоффом во второй половине XIX века (1850 г.). рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).
Сольваты, гидраты нельзя рассматривать как химические соединения, так как состав их непостоянен, он изменяется в зависимости от концентрации раствора и температуры; число молекул растворителя, связанных с молекулами растворённого вещества с повышением Т уменьшается, а понижение концентрации, в общем, влияет в обратном направлении.
Часто образующиеся гидраты могут быть очень прочными, и их можно выделить из раствора в кристаллическом состоянии. Такие кристаллы, содержащие в связанном виде молекулы H2O, называются кристаллогидратами. Воду из них можно выделить при сильном нагревании – прокаливании.
Под сольватациейпонимают совокупность энергетических и структурных изменений, происходящих в растворе.
Сольваты (гидраты) образуются за счет донорно-акцепторного, ион-молекулярного взаимодействия, за счет водородных связей, а также дисперсионного взаимодействия Сольватация состоит в том, что молекула растворенного вещества оказывается окруженной сольватной оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул растворителя..
Различают ближнюю и дальнюю сольватации, выделяя первичную и вторичную сольватные оболочки. В первичную сольватную оболочку входят молекулы растворителя, находящегося в непосредственной близости к частице и совершающие движение в растворе вместе с ней. Число молекул растворителя в первичной сольватной оболочке называют координационным числом сольватации.
Во вторичную сольватную оболочку входят молекулы растворителя, находящиеся на больших расстояниях от частицы растворенного вещества, но не ориентированные вокруг частицы определенным образом.
Время жизни сольватов определяется характером и интенсивностью межмолекулярных взаимодействий;даже в случае сильного взаимодействия время жизни отдельного сольвата мало из-за непрерывного обмена частицами в сольватной оболочке.
Важнейшие термодинамические характеристики сольватации:
энтальпия сольватацияHc и энергия Гиббса сольватация (свободная энергия сольватация) Gc,связанные соотношением:Gc= Hc—ТSc,
где Sc—энтропия сольватация, T-абсольватация температура.
Энтальпия сольватация определяет тепловой эффект внедрения молекулы растворенного вещества в растворитель;
энергия Гиббса сольватация определяет растворимость вещества.
Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной. Кристаллогидратами являются многие природные минералы. Ряд веществ (в том числе и органические) получаются в чистом виде только в форме кристаллогидратов. Так, известны твердые кристалогидраты:
Процесс сольватации, различия с гидратацией и примеры
сольватации физический и химический союз между растворенными частицами и растворителем в растворе. Он отличается от концепции растворимости тем, что нет термодинамического равновесия между твердым телом и его растворенными частицами..
Этот союз ответственен за растворенные твердые вещества, «исчезающие» в глазах зрителей; когда на самом деле частицы становятся очень маленькими и в конечном итоге «обертываются» листами молекул растворителя, что делает невозможным их наблюдение.
На верхнем изображении представлен очень общий эскиз сольватации частицы М. М может быть ионом (М + ) или молекула; и S представляет собой молекулу растворителя, которая может представлять собой любое соединение в жидком состоянии (хотя оно также может быть газообразным).
Обратите внимание, что М окружено шестью молекулами S, которые составляют то, что известно как Первичная сольватная сфера. Другие молекулы S, находящиеся на большем расстоянии, взаимодействуют силами Ван-дер-Ваальса с первой, образуя вторичную сольватную сферу и так далее, пока какой-либо порядок не станет очевидным..
Процесс сольватации
Молекулярно, как проходит процесс сольватации? Изображение выше суммирует необходимые шаги.
Молекулы растворителя, синего цвета, изначально упорядочены путем взаимодействия друг с другом (S-S); и частицы (ионы или молекулы) растворенного вещества пурпурного цвета делают то же самое с сильным или слабым М-М взаимодействием.
Для того чтобы происходила сольватация, растворитель и растворенное вещество должны расширяться (вторая черная стрелка), чтобы учесть взаимодействие растворенного вещества с растворителем (M-S).
Это обязательно подразумевает уменьшение взаимодействия растворенного вещества и растворителя с растворителем; уменьшение, которое требует энергии, и, следовательно, этот первый шаг является эндотермическим.
Как только растворенное вещество и растворитель были молекулярно расширены, они оба смешиваются и меняются местами в пространстве. Каждый фиолетовый круг на втором изображении можно сравнить с тем на первом изображении.
Изменение степени упорядочения частиц может быть детализировано на изображении; упорядоченный в начале и неупорядоченный в конце. Как следствие, последний этап является экзотермическим, поскольку образование новых M-S взаимодействий стабилизирует все частицы растворения.
Энергетические аспекты
За процессом сольватации стоит учитывать множество энергетических аспектов. Во-первых: S-S, M-M и M-S взаимодействия.
Когда взаимодействия M-S, то есть между растворенным веществом и растворителем, очень превосходят (сильные и стабильные) по сравнению с взаимодействиями отдельных компонентов, мы говорим об экзотермическом процессе сольватации; и, следовательно, энергия высвобождается в среду, что можно проверить, измерив повышение температуры с помощью термометра..
Если, с другой стороны, взаимодействия M-M и S-S сильнее, чем взаимодействия M-S, то для «расширения» им потребуется больше энергии, чем они получают после окончания сольватации..
Затем говорится о процессе эндотермической сольватации. В таком случае регистрируется снижение температуры или, что то же самое, окружение охлаждается.
Межмолекулярные взаимодействия
Было упомянуто, что сольватация является результатом физического и химического соединения между растворенным веществом и растворителем; Однако, как именно эти взаимодействия или союзы?
Когда мы говорим о диполь-дипольных взаимодействиях, говорят, что в M и S. существует постоянный дипольный момент. Таким образом, богатая электронами область δ- из M взаимодействует с плохой областью электронов δ + S. Результатом всех этих взаимодействия является формирование нескольких сольватных сфер вокруг М.
Кроме того, есть еще один тип взаимодействия: координатор. Здесь молекулы S образуют координационные (или дативные) связи с М, образуя различные геометрии.
Основное правило для запоминания и предсказания сродства между растворенным веществом и растворителем: равное растворяется равным. Поэтому полярные вещества очень легко растворяются в полярных растворителях; и неполярные вещества растворяются в неполярных растворителях.
Отличия от гидратации
Чем сольватация отличается от гидратации? Два идентичных процесса, за исключением того, что молекулы S первого изображения заменены молекулами воды, H-O-H.
На верхнем изображении вы можете увидеть катион M + в окружении шести молекул H2О. Обратите внимание, что атомы кислорода (красные) направлены на положительный заряд, потому что он является наиболее электроотрицательным и, следовательно, имеет наибольшую отрицательную плотность δ-.
За первой сферой гидратации другие молекулы воды группируются водородными связями (ОН2-Огайо2). Это взаимодействия ион-дипольного типа. Однако молекулы воды также могут образовывать координационные связи с положительным центром, особенно если он металлический.
Вода, пожалуй, самый удивительный растворитель из всех: она растворяет несоизмеримое количество растворенных веществ, она слишком полярна в качестве растворителя и имеет аномально высокую диэлектрическую проницаемость (78,5 К).
примеров
Ниже приведены три примера сольватации в воде..
Хлорид кальция
мочевина
Для мочевины это органическая молекула со структурой H2N-CO-NH2. При сольватации молекулы H2Или образуют водородные мостики с двумя аминогруппами (-NH2-Огайо2) и с карбонильной группой (C = O-H)2О). Эти взаимодействия ответственны за его большую растворимость в воде.
Также его растворение является эндотермическим, то есть он охлаждает емкость для воды, куда его добавляют.
Аммиачная селитра
Механизм образования растворов. Сольваты. Гидраты.
Исторически сложились два подхода к образованию растворов – физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, основоположником которой был Д.И. Менделеев.
Физическая теория растворов- предложена Вант-Гоффом во второй половине XIX века (1850 г.). рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).
Сольваты, гидраты нельзя рассматривать как химические соединения, так как состав их непостоянен, он изменяется в зависимости от концентрации раствора и температуры; число молекул растворителя, связанных с молекулами растворённого вещества с повышением Т уменьшается, а понижение концентрации, в общем, влияет в обратном направлении.
Часто образующиеся гидраты могут быть очень прочными, и их можно выделить из раствора в кристаллическом состоянии. Такие кристаллы, содержащие в связанном виде молекулы H2O, называются кристаллогидратами. Воду из них можно выделить при сильном нагревании – прокаливании.
Под сольватациейпонимают совокупность энергетических и структурных изменений, происходящих в растворе.
Сольваты (гидраты) образуются за счет донорно-акцепторного, ион-молекулярного взаимодействия, за счет водородных связей, а также дисперсионного взаимодействия Сольватация состоит в том, что молекула растворенного вещества оказывается окруженной сольватной оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул растворителя..
Различают ближнюю и дальнюю сольватации, выделяя первичную и вторичную сольватные оболочки. В первичную сольватную оболочку входят молекулы растворителя, находящегося в непосредственной близости к частице и совершающие движение в растворе вместе с ней. Число молекул растворителя в первичной сольватной оболочке называют координационным числом сольватации.
Во вторичную сольватную оболочку входят молекулы растворителя, находящиеся на больших расстояниях от частицы растворенного вещества, но не ориентированные вокруг частицы определенным образом.
Время жизни сольватов определяется характером и интенсивностью межмолекулярных взаимодействий;даже в случае сильного взаимодействия время жизни отдельного сольвата мало из-за непрерывного обмена частицами в сольватной оболочке.
Важнейшие термодинамические характеристики сольватации:
энтальпия сольватацияHc и энергия Гиббса сольватация (свободная энергия сольватация) Gc,связанные соотношением:Gc= Hc—ТSc,
где Sc—энтропия сольватация, T-абсольватация температура.
Энтальпия сольватация определяет тепловой эффект внедрения молекулы растворенного вещества в растворитель;
энергия Гиббса сольватация определяет растворимость вещества.
Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной. Кристаллогидратами являются многие природные минералы. Ряд веществ (в том числе и органические) получаются в чистом виде только в форме кристаллогидратов. Так, известны твердые кристалогидраты: