▪ Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов.
▪ Биокосное вещество — вещество, которое создается одновременно живыми организмами
и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветриванияи т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
▪ Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
▪ Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под
влиянием космических излучений.
▪ Вещество космического происхождения.
Биосфера — это сложная система, действующая благодаря энергии Солнца и жизнедеятельности живых организмов, запасающих и перераспределяющих вещество и энергию. В биосфере постоянно протекают разнообразные процессы, влияющие на вещество других оболочек Земли
Биогенное вещество — вещество, представляющее собой остатки отмерших организмов и продукты жизнедеятельности и линьки живых организмов.
37. Гидросфера. Уникальные свойства воды.
Гидросфера — водная оболочка Земли. Её принято делить на Мировой океан, континентальные поверхностные воды и подземные воды.
Уникальные свойства воды:
▪ После замерзания характерной чертой воды является увеличение объема. С этим связано то, что единица объема льда меньше весит, чем вода в таком же объеме, и не тонет, а плавает.
▪ Плотность и, соответственно, масса воды наиболее высоки при температуре +4 °C. Вода при такой температуре под силой собственного веса в зимнее время опускается ко дну водоемов, где сохраняется стабильный температурный режим. Благодаря этому, живые организмы могут переживать зиму в замерзших морях, реках, озерах.
▪ Вода по праву считается универсальным растворителем. Это обусловлено тем, что она способна растворять практически все соединения, с которыми контактирует, за исключением ряда минералов и жиров. Поэтому в природе чистую воду найти невозможно. Она всегда находится в форме растворов с различной концентрацией солей и других веществ.
▪ Обладая подвижностью (текучестью), вода может просачиваться в различные среды, передвигаясь в любых направлениях и являясь транспортировщиком растворенных соединений. Таким образом, осуществляется обмен веществ в географической оболочке, в частности между средой и организмами.
▪ Вода характеризуется способностью «прилипать» к поверхности предметов и подниматься снизу вверх по тонким сосудам-капиллярам. Эта ее особенность объясняет циркуляцию воды в горных породах, почвах, передвижение растворов органических и минеральных веществ вверх по стеблям растений, участие в кровообращении животных.
Свойства водяного пара
В природе вода присутствует повсюду. Водой наполнены водоемы разного уровня, как большие, так и мелкие. Вода имеется в недрах планеты, в атмосфере в форме водяных паров, выступает одним из основных компонентов тканей абсолютно всех живых существ. К примеру, организм человека состоит из воды почти на 70%, а некоторых обитателей морских глубин – на 80-90%.
Значение воды заключается не только в воздействии на все живое и хозяйственную деятельность человека. Ее огромное влияние на всю планету невозможно переоценить. По мнению академика В. И. Вернадского, ни одно природное тело так интенсивно, как вода, не воздействует на ход основных, жизненных геологических процессов.
38. Основные понятия и определения теории растворов. Дисперсные системы. Способы выражения состава растворов. Сольватация. Физико-химические процессы, протекающие при растворении.
Физическая теория растворов.
Была открыта Якобом Г. Вант-Гоффом и Свате А.Аррениусом.
Суть теории растворов: растворитель – химическая индифферентная среда, в которой равномерно распределены частицы растворенного вещества. Теория не предполагает наличие межмолекулярных связей между растворителем и растворенным веществом.
Под эту теорию подходят только идеальные растворы, где компоненты растворителя никак не воздействуют на растворимое соединение. Примером являются газовые растворы, где нереагирующие между собой газы смешиваются друг с другом в неограниченных количествах. Все физические данные (температура кипения и плавления, давление, теплоемкость) вычисляется
исходя из свойств всех соединений, входящих в состав.
По закону Дальтона: общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов:
Pобщ = Р1 + Р2 + Р3 +...
Химическая теория растворов.
описал Д.И. Менделеев.
Суть заключается в следующем: частицы растворителя и растворенного вещества реагируют друг с другом, в результате чего получаются нестойкие соединения переменного состава – гидраты (сольваты). Основные связи тут – водородные.
Вещество может распадаться на слои (растворяться) в случае полярного растворителя (воды). Ярким примером является растворение поваренной соли.
Также может проткать реакция между компонентами смеси:
H2O +Cl2 = HCl + HOCl,
В ходе процесса растворения происходит изменение состава и объема реакционной смеси, т.к. протекают 2 процесса: разрушение структуры растворяемого вещества и химическая реакция между частицами. Оба процесса идут с изменением энергии.
Тепловые эффекты могут быть экзотермическими и эндотермическими (с выделением и поглощением энергии).
Соединения с частицами растворителя называются гидратами.
Кристаллические вещества, в состав которых входят гидраты, называются кристаллогидратами и имеют различную окраску. Например, кристаллогидрат сульфата меди: CuSO4 ·5H2О. Раствор кристаллогидрата синий. Если рассмотреть кристаллогидрат кобальта CoCl2· 6H2O, то он обладает
розовым цветом, CoCl2· 4H2O – красный, CoCl2 ·2H2O - сине-фиолетовый, CoCl2 ·H2О – темно- синий, а безводный раствор хлорида кобальта – бледно-синего цвета.
Дисперсная система — это система, образованная из двух или более фаз (тел), которые совершенно или практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. Первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда).
В химии для количественного выражения состава растворов чаще всего используют массовую долю, молярную концентрацию (молярность) и эквивалентную концентрацию (нормальность). Существуют также моляльная концентрация (моляльность), мольная доля, а также массовая концентрация и объемная концентрация (табл. 1).
Способы выражения концентрации растворов
Наименование и обозначение
Расчетная формула* и размерность
Массовая доля w
w = mB / mP = = mB / (mB + ms) [доли от 1 или %] Объемная доля (для газов) vi
vi = VB / V [доли от 1 или %]
Мольная доля μi
μi = nB / (nB + ns) [доли от 1]
Массовая концентрация B
B = mB / Vs [г / л]
Молярная концентрация сB (молярность)
сB = nB / V [моль / л]
Эквивалентная концентрация сeq (нормальность) сeq = neq / V = (z nB) / V [моль экв. / л]
Моляльная концентрация mi (моляльность) mi = nB / ms [моль / кг]
Условные обозначения: m
▪ B - масса растворенного вещества;
▪ ms - масса растворителя, mр - масса раствора;
▪ nB - количество растворенного вещества (моль);
▪ neq - эквивалентное количество растворенного вещества (моль эквивалентов); ▪ ns - количество растворителя (моль);
▪ V - объем раствора;
▪ VB - объем растворенного вещества (газообразного);
▪ z- эквивалентное число
Под концентрацией раствора химики подразумевают, прежде всего, молярность раствора (т.е. количество растворенного вещества nB в моль, отнесенное к общему объему раствора в л). Единица измерения молярной концентрации сB - моль/л.
Если в растворе серной кислоты H2SO4 молярная концентрация равна 1 моль/л, то это обозначается как 1М раствор H2SO4 (одномолярный раствор серной кислоты).
Молярность раствора рассчитывается по данным о его приготовлении или по результатам химического анализа, позволяющим судить о содержании растворенного вещества в некотором объеме раствора.
СОЛЬВАТАЦИЯ, взаимод. молекул растворенного в-ва (или их ассоциатов) с молекулами р-рителя. Приводит к изменению св-в молекул в р-ре, влияет на все физ. и физ.-хим. процессы, протекающие в р-рах, в т.ч. определяет скорость реакций в растворах и положение равновесия, а в ряде случаев и их механизм.
Сольватация состоит в том, что молекула растворенного в-ва оказывается окруженной сольватной
оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул р-рителя. В результате сольватации образуются сольваты-мол. образования постоянного или переменного состава. Время жизни соль-ватов определяется характером и интенсивностью межмолекулярных взаимодействий; даже в случае сильного взаимод. время жизни отдельного сольвата мало из-за непрерывного обмена частицами в сольватной оболочке. В соответствии с типами межмол. взаимод. выделяют неспецифическую и специфическую сольватацию. Неспецифическая сольватация обусловлена ван- дер-ваальсовыми взаимод., специфическая сольватация проявляется гл. обр. вследствие электростатич. взаимод., коор-динац. иводородных связей.
Физико-химические процессы, протекающие при растворении
В одних случаях тепло при растворении выделяется, в других — впитывается. Это показывает, что растворение не сводится только к распределению частиц одного вещества между частицами (молекулами) другого, а сопровождается химическим взаимодействием частиц розчинюванои вещества с частицами (молекулами) растворителя.
Процесс растворения — это взаимодействие частиц растворенного вещества с молекулами растворителя, который сопровождается выделением или поглощения теплоты.
Голландский химик Я. Х. Вант- Гофф и немецкий химик В. Оствальд доказали диффузию газов.
Шведский ученый С. А. Аррениус (1859 — 1927) доказал наличие физического процесса диффузии в растворах. Подтверждением этого является равномерную окраску растворов при растворения окрашенных веществ.
Диффузия меди (II) сульфата
Д. И. Менделеев создал химическую теорию растворов. Согласно этой теории, при растворении образуются сольваты — неустойчивые химические соединения растворенного вещества с растворителем (в случае водных растворов — гидраты). Особенно подвержены гидратации ионы. Ионы присоединяют полярные молекулы воды, в результате образуются гидратированные ионы. Многие из таких гидратированных ионов непрочные и легко разлагаются.
Если, например, поваренную соль поместить в воду, то можно заметить, как масса твердого вещества постепенно уменьшается. В процессе растворения молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами к положительно заряженным ионов натрия, а положительными полюсами — к отрицательно заряженных хлорид-ионов. В результате этого связь между ионами в соли ослабляется, и кристаллическая решетка разрушается. В растворе образуются временные соединения гидрат-ионы натрия и гидрат-ионы хлора.
А — распад на ионы (ионизация). Теплота поглощается на разрушение связей.
Б — гидратация с образованием гидрат-ионов. При образовании гидратов выделяется теплота. Ионизация — это процесс распада вещества на ионы под действием полярного растворителя. Гидратация — это процесс образования гидрат-ионов.
Гидрат-ион — это ион окружен диполями воды.
И.А. Каблуков (1857 — 1942). Советский ученый, академик. Ввел представление о гидратации ионов, начал физическую и химическую теорию растворов.
Почему при растворении веществ в одних случаях наблюдается разогрев, а в других — охлаждения? Это объясняется тем, что при связывании частиц вещества, растворяется, с молекулами растворителя выделяется энергия (при образовании связей в гидрат-ионах), а при разрушении связи между ионами кристалла соли, теплота поглощается. Если теплоты выделяется больше, чем тратится на разрыв связей между частицами вещества, растворяется, то растворение сопровождается нагревом. Итак, во время растворения осуществляются и химические реакции. Например, молекулы серной кислоты реагируют с молекулами воды и образуются соединения состава: Н2SO4 • H2О (моногидрат серной кислоты) и Н2SO4 • 2H2О (дигидрат серной кислоты).
39. Особенности растворения твердых веществ, жидкостей и газов. Коллигативные свойства растворов. Закон Генри. Газы, растворенные в природной воде. Кислород в воде. Закон Рауля.
Растворы– Это гомогенные многокомпонентные смеси переменного состава. Растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми.
Энергетической характеристикой процесса растворения является энтальпия растворения. Энтальпией растворения называется изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества в данном растворителе. Энтальпия растворения зависит от температуры и количества взятого растворителя.
Энтальпия растворения кристаллического вещества ΔНраств связана с энтальпией разрушения кристаллической решетки (ΔНразр > 0) и энтальпией гидратации (ΔНгидр < 0) соотношением ΔНраств = ΔНразр + ΔНгидр.Следовательно, растворение сопровождается поглощением тепла. При ΔНразр <ΔНгидр, ΔНраств < 0, т.е. при растворении тепло выделяется. Количество выделенной или поглощённой теплоты можно найти по формуле: Qp = сmΔТ, где с– удельная теплоемкость раствора, Дж/г×К; m – общая масса раствора, г; ΔТ – изменение температуры раствора, К.
Ненасыщенный раствор – это раствор, в котором при данной температуре вещество ещё может растворяться.
Насыщенный раствор – раствор, в котором растворяемое вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находится в равновесии с растворяемым веществом.
При изменении температуры или давления можно продлить процесс растворения. При этом получим раствор, содержащий растворенного вещества больше, чем его должно быть в обычных условиях в насыщенном растворе. Такой раствор называется пересыщенным.
Пересыщенные растворы – это неустойчивые, неравновесные системы, которые, например, при лёгком сотрясении сосуда или введении в раствор кристаллов вещества, находящегося в растворе, переходят в равновесное состояние, выделяя избыток растворенного вещества, и раствор становится насыщенным.
Растворимость газов повышается при росте давления газа над растворителем, а растворимость твердых и жидких веществ зависит от давления несущественно. Уильям Генри впервые пришел к выводу, что количество газа, которое растворяется при постоянной температуре в заданном объеме жидкости, прямо пропорционально его давлению. Данное утверждение известно, как закон Генри и выражается оно следующим соотношением: С = k·P, где С – растворимость газа в жидкой фазе Р – давление газа над раствором k – постоянная Генри
Влияние температуры на растворимость зависит от изменения энтальпии, которое происходит при процессе растворения. При протекании эндотермического процесса происходит увеличение растворимости с ростом температуры. Это следует из принципа Ле–Шателье: если изменить одно из условий, при котором система находится в состоянии равновесия – концентрацию, давление или температуру, — то равновесие сместится в направлении той реакции, которая противодействует этому изменению. Представим, что мы имеем дело с раствором, находящимся в равновесии с частично растворившимся веществом. И этот процесс является эндотермическим, т.е. идет с поглощением теплоты извне, тогда: Вещество + растворитель + теплота = раствор
От давления растворимость жидкостей практически не зависит. При вводе в смесь, состоящую из двух несмешивающихся между собой жидкостей, вещества, которое может растворяться в любой из этих двух жидкостей, то его распределение между этими жидкостями будет пропорционально растворимости в каждой из них. Т.е. согласно закону распределения вещество, способное растворяться в двух несмешивающихся растворителях, распределяется между ними так, что отношение его концентраций в этих растворителях при постоянной температуре остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества:С1/С2=К, где С1 и С2 – концентрации вещества в двух жидкостях К – коэффициент распределения.
Способы выражение концентрации растворов.
1 Массовая доля (или процентная концентрация вещества) – это отношение массы растворенного вещества m к общей массе раствора.
2 Молярная концентрация или молярность – это количество молей растворённого вещества в одном литре раствора V
3 Моляльная концентрация (моляльность) раствора С(x) показывает количество молей n растворенного вещества в 1 кг растворителя m