Что такое разложение воды в химии

Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано

Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород. Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.

Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.

Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.

Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.

В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О₂ (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H₂, производя полезную форму водорода — газ H₂,

Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.

На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H₂ в секунду.

Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.

К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.

Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.

Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).

Источник

Новые технологии разложения воды в США и России

Технологии получения водорода посредством электрохимического разложения воды на её составляющие не стоят на месте. Недавно учёные из Университета Хьюстона обнаружили катализатор, который значительно ускоряет процесс разложения воды на водород и кислород. Катализатор состоит из легкодоступных, недорогих материалов и работает гораздо эффективнее, чем аналогичные материалы. Ознакомившись с данной новостью, наш коллега из РГУ нефти и газа (НИУ) им. И. М. Губкина, в свою очередь, рассказал нам об отечественной разработке в этой сфере, также заслуживающей пристального внимания.

Американские исследователи из Университета Хьюстона обнаружили катализатор, который активно ускоряет реакцию разложения воды на водород и кислород и, в отличие от аналогов, состоит из легкодоступных и недорогих материалов. Для его производства не используются драгоценные металлы, и работает он намного эффективнее, чем известные катализаторы. Такой материал позволил бы решить одну из основных проблем использования воды для производства водорода как одного из наиболее перспективных источников «чистой» энергии.

«Водород — это самый “чистый” энергоноситель, которым мы располагаем на Земле, — говорит Пол Чу (Paul Chu), профессор, заведующий кафедры физики Университета Хьюстона, директор-основатель и руководитель исследовательских работ Техасского центра исследований сверхпроводимости Университета Хьюстона (Texas Center for Superconductivity at UH, TcSUH). — Вода могла бы быть бесконечным источником водорода, если бы мы научились эффективно разрывать прочную химическую связь водорода с кислородом в воде с помощью электрического тока и соответствующего катализатора».

Новый катализатор был получен исследовательской группой Пола Чу при Университете Хьюстона, в которую также входят профессор физики Жифенг Рен (Zhifeng Ren) и доцент Шуо Чен (Shuo Chen), ведущие исследователи TcSUH, научные сотрудники Хайчин Чжоу (Haiqing Zhou) и Фанг Юй (Fang Yu), а также аспиранты Джинджинг Сан (Jingying Sun) и Ран Хей (Ran He).

Катализатор, состоящий из метафосфата железа, в кристаллическом виде выращенного на электропроводящей никелевой подложке, имеющей губчатую структуру, намного более эффективен и дёшев, чем любые аналоги.

«Наш материал позволяет отлично сэкономить, и он намного более эффективен, превосходя имеющиеся катализаторы», — говорит Жифенг Рен, профессор физики Онкологического центра имени М. Д. Андерсона при Университете Хьюстона и ведущий автор статьи о результатах работы исследовательской группы Пола Чу. Катализатор также долговечен, на испытаниях он успешно проработал более 20 часов и выдержал 10 тыс. рабочих циклов. «Некоторые катализаторы обладают выдающимися характеристиками, но они стабильны только один-два часа, — рассказывает Жифенг Рен. — Такие материалы практически бесполезны».

Реакция разложения воды на водород и кислород теоретически очень проста, но на практике она представляет из себя сложный процесс, требующий двух отдельных химических взаимодействий — реакции выделения водорода и реакции выделения кислорода, каждая из которых протекает на отдельном электроде. И, хотя эффективные водородные катализаторы доступны, отсутствие недорогого и действенного кислородного катализатора создаёт учёным значительные трудности в области водородной энергетики.

Водород имеет ряд значительных преимуществ. «Водород, полученный посредством разложения воды электрохимическим процессом “водного электролиза”, считается наиболее экологически безопасным энергоносителем, способным заменить ископаемое топливо и удовлетворить растущий спрос всего человечества на электроэнергию, поскольку вода является одновременно и единственным сырьём, и “продуктом сгорания” — ведь экологичная “водородная энергия” получается путём преобразования этого химического элемента обратно в воду», — поясняют исследователи. При этом, в отличие от солнечной энергии, ветра и других видов «зелёной» энергии, водород относительно легко хранить.

В настоящее время водород получают тремя основными промышленными способами: паровой обработкой угля в специальных газогенераторах, газопаровой конверсией природного газа и электролизом воды, особенно если нужен сверхчистый водород.

При первом способе над раскалённым добела коксом (углём, нагреваемым без доступа кислорода) пропускают водяной пар, при этом из-за высокой температуры атомы водорода в воде замещаются на атомы углерода — образуется смесь угарного газа (CO) и водорода (H₂), которую затем разделяют или используют как есть. Во втором случае, также при высокой температуре (около 1000 °C), осуществляется превращение метана с водяным паром, углекислым газом (CO₂) или смесью водяного пара и углекислого газа в присутствии катализатора на основе никеля с добавками оксидов магния, алюминия и других металлов, причём образующуюся смесь водорода и угарного газа нужно затем дополнительно обрабатывать водяным паром. Водород также получают как побочный продукт производства хлора и гидроксидов щелочных металлов, которое осуществляется электролизом растворов их хлоридов.

Все эти методы сложны, крайне энергозатратны и связаны с выработкой вредного угарного газа, а также сажи, то есть имеют существенный «углеродный след», несмотря на то, что исходное сырьё в данных процессах сгорает относительно «чисто».

Исследовательница Шуо Чен отмечает, что известные на сегодняшний день катализаторы, ускоряющие реакцию выделения кислорода при электролизе воды, используют благородные металлы — иридий, платину или рутений. Но эти материалы дороги и недоступны.

«В своём исследовании мы обнаружили дешёвый, высокоэффективный и стабильный катализатор, основанный на широко распространённых химических элементах, который поразительным образом превосходит все благородные металлы, — подытоживает Шуо Чен. — Наше открытие может привести к гораздо более экономичному промышленному производству водорода простым электрохимическим разложением (электролизом) воды».

Отметим, что разложение воды на составные элементы может осуществляться и с помощью фотокатализа, который использует силу солнца. Однако прямое воздействие солнца на воду слишком неэффективно, так как вода поглощает лишь небольшую часть спектра солнечного излучения. Шуо Чен поясняет, что в идеале солнечные батареи будут использоваться для выработки электроэнергии, которая вместе с соответствующим катализатором позволит легко и эффективно разлагать воду для получения такого нужного человечеству химического элемента, как водород.

Отечественная технология получения водорода

Рассказывает И. В. Мещерин, к.т.н., доцент кафедры газохимии РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, председатель Комитета по технологическому проектированию в НОПРИЗ, президент Национальной палаты инженеров:

— Известно, что производство водорода в основном осуществляется крупнотоннажными системами с единичной объёмной производительностью в диапазоне 10–100 тыс. Нм³/ч [1]. От 1 до 5 % получаемого водорода находит применение в малотоннажных, наукоёмких отраслях промышленности: электронной, электротехнической, стекольной, фармацевтической, пищевой; выплавке металлов и сплавов высокой чистоты; синтезе химически высокоактивных веществ и других отраслях. Водород является ценным химическим реагентом, и его получение и концентрирование из топливных, остаточных, сбросных газов позволяет значительно повысить экономическую эффективность производства. Водород почти не встречается в природе в чистом виде, но потребление данного газа во всём мире неуклонно растёт. Для производства водорода необходимо специальное оборудование, отличительной чертой которого является компактность и надёжность.

Децентрализованное (то есть малотоннажное) производство водорода требует создания высокоэффективных технологий с уровнем единичной объёмной производительности в диапазоне от 10 до 1000 Нм³/ч [2].

Данный аспект в сегодняшней ситуации может иметь существенное влияние на экономическую эффективность производств, в которых используется водород. В условиях экономического кризиса поиск технологий получения водорода с меньшими затратами является актуальной задачей. В настоящий момент внутрироссийские регулируемые цены на природный газ продолжают оставаться одними из самых низких в мире, даже с учётом более чем двукратного падения цен на природный газ на европейском рынке. Одним из альтернативных решений могут быть технологии получения водорода из природного газа.

Изучение конкретной проблематики производилось сотрудниками кафедры газохимии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина в условиях завода по производству кварцевого стекла — ООО «Технокварц» в городе Гусь-Хрустальный.

Компания ООО «Технокварц» производит водород для производственных нужд с помощью блока электролизёров БЭУ-250, состоящий из шести электролизёров СЭУ-40. Этой производительности достаточно для обеспечения существующего объёма потребления водорода в технологии наплава кварцевого стекла. Целью работы являлся поиск экономически более эффективного метода получения водорода на базе ресурсов завода.

Промышленное производство кварцевого стекла связано с развитием экстремальных процессов со специфическими условиями, главным образом в космической и электронной технике, производстве чистых, особо чистых веществ, редких металлов, высокотемпературных неорганических соединений и т.п.

В результате анализа существующих методов получения водорода был выбран, как наиболее целесообразный, метод паровой конверсии природного газа. При помощи д.т.н., профессора М. Х. Сосны был произведён технологический расчёт блока конверсии для установки получения водорода. Входными данными послужили составы входящих потоков, их объёмы, температуры, давления, доля водяного пара, а также длина реактора, его диаметр и толщина стенки (расчёт реактора в 2016 году выполняла Мария Давыдова, технолог газохимии и магистрантка РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина). В результате обработки полученных данных получен материальный баланс процесса (табл. 1), конверсия метана составила 92,6 %. Был также проработан вопрос изготовления реактора из кварцевого стекла.

Ниже приводится эскиз гипотетического мини-, микрореактора проточного типа из кварцевого стекла в горизонтальном исполнении для проведения химических процессов. Основой реактора служит модуль, представленный на рис. 1. Зоны 1 и 2 служат для подачи исходных компонентов, реакционная зона 3 предназначена для размещения катализаторов, нагрева рабочей смеси до температуры реакции, воздействия ВЧ-, ВУФи СВЧизлучения или иного технологического воздействия. Конфигурация зоны 3 может формироваться по требованиям ведения химических реакций. Зона 4 организована как циклон для разделения и закалки продуктов реакции, в том числе и как газовая центрифуга. Единичные модули в расчётном количестве собираются в батарею, как показано на рис. 2. По усмотрению разработчиков промышленные модули могут быть спроектированы и в вертикальном исполнении цилиндрической или иной формы.

Экономическая эффективность достигается за счёт того, что используется относительно недорогой природный газ, по сравнению с дорогой электроэнергией, себестоимость оборудования из кварцевого стекла на 25–40 % меньше, чем из металла.

Возможность развития конкретной технологии и отладки её внутри предприятия открывает новый метод получения водорода для малотоннажных производств. Кроме того, появление нового перспективного ассортимента товарной продукции существенно усовершенствует технологии обработки кварцевого стекла, дополнительно будет способствовать улучшению экономических показателей кварцевого производства.

Поскольку паровая конверсия природного газа в комплексе с аппаратурным оформлением процесса является составной частью синтеза материалов по реакциям Фишера-Тропша, перед ООО «ТехноКварц» возникает перспектива нового направления — изготовление высокоэффективных минии микроканальных кварцевых реакторов для других сегментов отрасли газохимии.

Источник

Реакция термического разложения воды

Реакция термического разложения воды.

Уравнение реакции термического разложения воды:

Реакция термического разложения воды протекает при условии: при температуре 2000 °C.

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

Мировая экономика

Справочники

Востребованные технологии

Поиск технологий

О чём данный сайт?

Настоящий сайт посвящен авторским научным разработкам в области экономики и научной идее осуществления Второй индустриализации России.

Он включает в себя:
– экономику Второй индустриализации России,
– теорию, методологию и инструментарий инновационного развития – осуществления Второй индустриализации России,
– организационный механизм осуществления Второй индустриализации России,
– справочник прорывных технологий.

Мы не продаем товары, технологии и пр. производителей и изобретателей! Необходимо обращаться к ним напрямую!

Мы проводим переговоры с производителями и изобретателями отечественных прорывных технологий и даем рекомендации по их использованию.

О Второй индустриализации

Осуществление Второй индустриализации России базируется на качественно новой научной основе (теории, методологии и инструментарии), разработанной авторами сайта.

Конечным результатом Второй индустриализации России является повышение благосостояния каждого члена общества: рядового человека, предприятия и государства.

Вторая индустриализация России есть совокупность научно-технических и иных инновационных идей, проектов и разработок, имеющих возможность быть широко реализованными в практике хозяйственной деятельности в короткие сроки (3-5 лет), которые обеспечат качественно новое прогрессивное развитие общества в предстоящие 50-75 лет.

Та из стран, которая первой осуществит этот комплексный прорыв – Россия, станет лидером в мировом сообществе и останется недосягаемой для других стран на века.

Источник

Вода в химии и её элементный состав, молекулярное строение, формула и молярная масса с примерами

Содержание:

Вода ее элементный состав, молекулярное строение, формула и молярная масса:

Вода — одно из важнейших химических соединений, широко распространенное на земном шаре.

Вода — это сложное вещество, состоящее из двух атомов водорода и одного атома кислорода (рис. 29).

Молекулярная формула воды —

Относительная молекулярная масса воды равна сумме относительных атомных масс водорода и кислорода:

Следовательно, масса 1 моля воды — 18 г, а молярная масса воды — 18 г/моль.

Вода и её физические свойства

Чистая вода — прозрачная жидкость без цвета, вкуса и запаха. Вкус и запах воде придают растворенные в ней примеси. Многие физические свойства воды очень своеобразны. При соответствующих обстоятельствах они являются аномальными, т.е. отклоняются от привычных. Например, плотность воды при переходе из твердого состояния (лед) в жидкое не уменьшается, как у большинства веществ, а увеличивается (рис. 30). Плотность растет и при нагревании воды от 0°С до + 4°С, достигая своего максимума — или 1 г/мл.

Еще одно свойство воды — это ее высокая теплоемкость (4,18 Дж/кг) (для сравнения: у песка —

0,79; известняка — 0,88; поваренной соли — 0,88; глицерина — 2,43; этилового спирта — 2,85). Поэтому вода в ночное время или при переходе от летнего сезона к зимнему медленно остывает, а в дневное время и при смене зимы летом так же медленно нагревается.

Вода замерзает при 0°С (при этой же температуре лед начинает таять) и превращается в пар (кипит) при 100°С.

Вода, являясь универсальным растворителем, растворяет многие органические и неорганические вещества.

Вода и её химические свойства

Молекулы воды очень устойчивы к нагреванию, но при температуре выше 1000°С пары воды начинают разлагаться на водород и кислород:

Реакционная способность воды очень велика.

Активные металлы, взаимодействуя с водой, выделяют из нее водород:

Рис. 30. Вода и лед

При взаимодействии с водой оксидов многих металлов и неметаллов образуются основания и кислоты:

Некоторые соли образуют с водой соединения, называемые кристаллогидратами:

Нагретое железо вступает в реакцию с парами воды:

Вода катализирует ряд химических процессов: при ее отсутствии «гремучий газ» не взрывается даже при высокой температуре, угарный газ не горит в кислороде, натрий и фосфор не окисляются на воздухе, не взаимодействуют с хлором и не происходит травления стекла фтористым водородом.

Распространение воды в природе

Три четверти поверхности земного шара покрыто водой в виде океанов, морей, озер, рек. Вода распространена в атмосфере в виде паров, на горных вершинах и полюсах — в виде ледников и снега. Существуют также подземные воды, увлажняющие почву и горные породы.

Объем Мирового океана составляет . На него приходится 97,2% всей воды на Земле. Вода в виде ледников на полюсах и горных вершинах составляет 2,1%, подземные грунтовые воды и пресная вода рек и озер — 0,6%, колодезная и соленая вода — 0,1%.

Вода имеет огромное значение в жизни растений, животных и людей. По современным представлениям, происхождение и развитие жизни на Земле было связано с морем. Вода — это среда, которая обеспечивает жизнедеятельность каждого организма посредством химических процессов, в ней протекающих. Кроме того, вода сама участвует в ряде биохимических процессов.

Аномальные физические свойства воды имеют важное значение в обеспечении жизненных процессов. Если бы плотность воды при переходе из жидкого состояния в твердое изменялась так же, как и у других веществ, то с приходом зимы поверхность воды, замерзая при 0°С, оседала бы ниже и уступала бы свое место более теплому слою, который также замерзал бы и оседал на дно. Таким образом вся вода превратилась бы в лед и многие формы жизни прекратили бы свое существование.

Но то, что вода при +4°С обладает максимальной плотностью, не дает происходить подобному явлению, так как обладающий меньшей плотностью лед остается на поверхности воды и предохраняет от замерзания более глубокие теплые слои.

Высокая теплоемкость воды также имеет большое значение для жизни на Земле. На нагревание воды необходимо затратить больше энергии, чем на нагревание любого другого вещества, т.е. вода, поглотившая тепло, нагревается при более низкой температуре, чем любая другая жидкость. Одна третья часть поглощаемой энергии Солнца расходуется на испарение воды Мирового океана и других водных бассейнов.

Вода выполняет специфическую роль терморегулятора и тем самым обеспечивает нормальную жизнедеятельность на поверхности Земли. Водные ресурсы земного шара могут быть как солеными, так и пресными, но все они имеют важное значение для промышленности.

Промышленность приспособлена для потребления в основном пресной воды. По имеющимся сведениям, в год на одного жителя планеты приходится в среднем 8000 л воды. Это количество воды используется как в бытовых, так в сельскохозяйственных и промышленных целях.

Только 10% расходуемой воды приходится на бытовые расходы, а остальное количество затрачивается на промышленность и сельское хозяйство. Для получения 1 кг сахара необходимо 400 л воды, для обработки 1 кг зерна — 1500 л, а для получения 1 кг синтетической резины необходимо примерно 2500 л воды.

В промышленности вода в основном используется как растворитель, охладитель и очиститель.

Пресная вода широко используется в сельском хозяйстве для полива полей и питья в животноводстве.

Повсеместное использование воды в промышленности связано с проблемами возникновения сточных вод и загрязнения окружающей среды. Для решения этих проблем необходим комплексный подход.

Не забывайте, что вода является бесценным богатством!

Меры по сохранению водных ресурсов от загрязнения

Для жизнедеятельности (т.е. для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности) используют воды озер, рек, подземные воды и воды искусственных водоемов. Для водообеспечения большое значение имеет сохранение чистоты воды, которая загрязняется, проходя через систему канализационных сетей, промышленных предприятий, подвергаясь «обработке» путем смыва химических средств с полей.

Возвращаемые в водоемы сточные воды должны проходить соответствующую очистку, поскольку они могут быть загрязнены выбросами ферм, мусоросборников, городской канализацией, дренажными водами, остатками минеральных удобрений, инсектицидами, гербицидами, отходами больниц, торговых предприятий, общественного питания, заводов, фабрик и лабораторий. Такие воды должны быть подвергнуты многоступенчатой очистке. Сначала вода пропускается через механические фильтры, на которых задерживаются песок и другие частицы. Мелкие же частицы и многие бактерии осаждаются путем добавления в воду сначала извести, а затем сульфата алюминия. При пропускании воздуха через такую воду в ней усиливается разложение органических веществ. На последней стадии, чтобы очистить воду от бактерий, ее обрабатывают озоном или хлором. После такой стерилизации воду можно использовать для потребления.

При применении данного метода очистки вода очищается от вредных веществ. Но в некоторых случаях появляется необходимость ее очистки от ионов кальция и магния, повышающих жесткость воды. Эти ионы в сочетании с мылом образуют в воде нерастворимые соединения, отрицательно влияющие на эффективность синтетических моющих веществ. Такая вода при кипячении дает накипь. Многие подземные воды подвергаются такой очистке, потому что в результате взаимодействия известняка, а также других соединений магния и кальция содержание их ионов в воде возрастает. Эта вода обрабатывается гашеной или негашеной известью, а также содой. Потом проводят ее обработку квасцами. Такая вода полностью готова к употреблению.

Для очистки сточных вод существует особый способ, состоящий из трех стадий. На первой стадии очистку проходят 30% воды, на второй 60%, 10% воды не подвергаются очистке. При этом на первой стадии фильтрованием отделяются крупные твердые частицы, 60% которых могут выпасть в осадок. Если не подвергать такую воду вторичной очистке, то следует провести ее обеззараживание хлором и отправить в водоем.

При вторичной очистке посредством воздуха разлагаются органические вещества, увеличивается количество аэробных бактерий, которые, питаясь остатками органических веществ, очищают воду. Затем они осаждаются, а вода подвергается обработке хлором и сливается в водоем. На этой стадии можно осадить до 90% твердых частиц.

Вода, прошедшая первичную и вторичную обработку, может содержать значительное количество соединений фосфора и азота, что приводит к размножению водорослей в водоемах. Помимо этого, многие химические вещества, содержащиеся в сточных водах, пройдя эти стадии очистки, могут снова загрязнять окружающую среду и водные бассейны.

Однако полная очистка воды от многих металлов и органических веществ — очень дорогостоящая процедура. Поэтому вода в незначительных количествах подвергается третичной обработке, при которой с помощью специальных средств такие примеси ликвидируются.

Вода имеет огромное значение в жизни и практической деятельности человека. Процесс усвоения пищи связан с переводом питательных веществ в растворимые формы посредством воды. Все физиологически важные жидкости (кровь, лимфа и др.) — водные растворы. В основе многих сфер производственной деятельности лежат процессы, в которых используются водные растворы.

Жидкие растворы — это жидкие гомогенные (однородные) системы, состоящие из двух или более компонентов.

Общая поверхность Земли составляет 510100000, 375000000 из них покрыто водой. Масса океанических и морских вод составляет (не учитывая растворенные в них соли) 1,4-1018 т, пресной воды суши и ледников — 4-1015 т; воды, входящей в состав живых организмов, почвы и горных пород, — 1017 т. В теле человека весом 70 кг содержится 49 кг воды, тела некоторых медуз содержат 98% воды.

В природе вода широко распространена в виде растворенных в ней солей. Такие реки, как Ганг или Миссисипи, растворяют до 100 млн т солей в год, а все реки мира — 2,735 млрд т солей.

Почти все вещества растворяются в воде (рис. 31): некоторые — очень хорошо, другие — средне, а остальные — плохо.

Проходя через нижние слои атмосферы, дождевая вода может растворить значительное количество различных веществ. При выпаривании 1000 г дождевой воды остается 3—5 г твердого осадка.

Растворенные и попавшие в почву вещества, химически взаимодействуя с компонентами почвы и горных пород, активно участвуют в непрерывном процессе образования почвы и минералов, разрушения горных пород.

Рис. 31. Растворение различных веществ в воде:

1 — хлорид кальция; 2 — перманганат калия; 3 — пищевая соль; 4 — бихромат калия;5 — карбонат натрия; 6 — бертолетова соль

Рис. 32. Растворение сахара в воде

Вода — универсальный растворитель, который может растворять и газы (кислород, водород, углекислый газ и др.), и жидкости (спирт, кислоты и др.), и твердые вещества (соли, минералы и др.).

В воде растворяются в небольшом количестве даже те вещества, которые, казалось бы, совсем не растворяются в ней. К.В. Шееле, кипятя в течение 12 дней в колбе дистиллированную снеговую воду, отметил небольшое разъедание стенок колбы. А. Лавуазье, кипятя определенное количество воды в колбе в течение 101 дня, заметил, что масса сосуда уменьшилась на определенное число, а масса осадка, полученного после выпаривания воды, равняется этому числу. Следовательно, даже стекло незначительно растворяется в воде.

Способность вещества растворяться называется растворимостью.

Например, понаблюдаем растворение сахара в воде (рис. 32). При комнатной температуре (20°С) в 100 г воды может раствориться 200 г сахара. Большее количество сахара при этой температуре не растворится. Такой раствор называется насыщенным.

Мера растворимости определяется количеством вещества в насыщенном растворе при определенных условиях.

Растворимость определяется растворением вещества в 100 г растворителя. Если в растворителе растворяется больше 10 г вещества, то оно считается хорошо растворимым, если меньше 1 г — малорастворимым, если меньше 0,01 г — практически нерастворимым.

Растворимость многих твердых веществ возрастает с повышением температуры. Эту зависимость можно представить в виде графика (рис. 33).

Растворимость газов при повышении температуры уменьшается (при кипячении воды растворенные в ней газы выделяются).

Рис. 33. Кривые растворимости различных солей

Но повышение давления приводит к возрастанию их растворимости (открывая бутылку минеральной воды, мы уменьшаем давление внутри сосуда, и поэтому растворенный в ней углекислый газ начинает интенсивно выделяться).

Понятие о растворах и их концентрациях

Раствор — это однородная система, состоящая из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Вещество в растворе измельчено до молекул, атомов или других частиц и равномерно распределено между молекулами растворителя, так как размеры частиц растворенного вещества составляют и меньше. Например, спиртовый раствор йода в аптеках представляет собой молекулы йода, распределенные между молекулами спирта. Это раствор, ничего не оставляющий на фильтре. Такие растворы называются истинными.

Растворы бывают жидкими, твердыми и газообразными. Примерами жидких растворов могут быть водные растворы соли, сахара, спирта; твердых растворов — золотометаллические изделия, сплавы типа дюралюминия; газообразных растворов — воздух или другие смеси газов.

При образовании растворов наблюдается выделение или поглощение тепла. Растворы могут хорошо проводить или не проводить электрический ток.

Растворы обладают свойствами как механических смесей, так и химических соединений (табл. 7).

При практическом применении растворов важное значение имеет точное определение количества вещества, растворенного в общей массе раствора.

Состав раствора (в частности, количество растворенного вещества) можно установить различными способами и выразить в размерных величинах (концентрациях).

Когда речь идет о компонентах раствора, под ними подразумеваются чистые вещества, при смешивании которых образуется раствор. При этом большее количество вещества принимается за растворитель, а меньшее — за растворенное вещество (рис. 34).

Эти термины были приняты для удобства, потому что при смешивании двух компонентов их нельзя строго разделять. При образовании раствора из чистой жидкости и твердого вещества обычно за растворитель принимается жидкий компонент. Независимо от того, что является растворенным веществом — газ, жидкость или твердое тело, — когда мы говорим о составе раствора, то обязаны учитывать отношение растворенного вещества к раствору. Это относительное количество называется концентрацией и выражается в различных величинах.

Обычно в химии концентрация выражается:

Рис.34 Соли (а)и их растворы (б)

Массовая доля, процентная, молярная и нормальная концентрация вещества в растворе

Как уже было сказано при изучении предыдущей темы, при определении состава раствора необходимо учитывать природу и количество его компонентов.

Насыщенный раствор — это раствор, который при данной температуре не может растворить большего количества вещества.

Ненасыщенный раствор — это раствор, который при данной температуре продолжает растворять вещество.

Если количество растворенного вещества очень мало, то такой раствор называется разбавленным.

Если количество растворенного вещества будет достаточно высоким, то такой раствор называется концентрированным (рис. 35).

В химии в основном пользуются ненасыщенными растворами.

Рис. 35. Взаимодействие цинка с растворами серной кислоты различной концентрации

В химической практике для выражения количества растворенного вещества широко применяются следующие величины:

1. Массовая доля — отношение массы растворенного вещества к массе раствора , выражающееся обычно числами меньше 1:

2. Процентная концентрация (С%) — выражение в процентах отношения массы растворенного вещества ) к массе раствора . Здесь масса раствора принимается за 100%; следовательно, С%

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник