Что такое гидратация и каков ее тепловой эффект

Тепловые эффекты растворения и гидратации

Класс Химия

21.04.2020
в классной работе законспектировать кратко материал урока

Тема «Процесс растворения – физико-химический процесс. Гидратация. Понятие о кристаллогидратах. Тепловые явления при растворении веществ»

Рассмотрим процесс растворения веществ.

Например, если мы добавляем в чай сахар, то можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. Если чай холодный, то сахар растворяется медленно. Наоборот, если чай горячий и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро. Попадая в воду, молекулы сахара, которые находятся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют связи с молекулами воды. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя. Молекулы сахара, которые перешли из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря диффузии. Если раствор нагреть или перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворения сахара проходит быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно, и раствор становится одинаково сладким по всему объему.

Вещества при растворении не меняются, после выпаривания растворов мы можем получить растворенное вещество в твердом состоянии. При растворении разрушается кристаллическая решетка растворенного вещества и ее частицы перемещаются в растворе, следовательно, растворение это физический процесс. Для осуществления такого процесса необходимо потратить энергию.

Приведенные факты говорят о том, что растворение следует считать физико-химическим процессом.

Гидраты и сольваты

При растворении многих веществ их молекулы или ионы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solvere – растворять). Этот процесс называется сольватацией.

В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а самый процесс их образования – гидратацией.

В зависимости от природы растворённого вещества, сольваты могут образовываться разными путями.

1. При растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения. В этом случае говорят о ион-дипольном взаимодействии.

2. Может иметь место донорно-акцепторное взаимодействие. Здесь ионы растворённого вещества обычно выступают в качестве акцепторов, а молекулы растворителя – в качестве доноров электронных пар. В таком взаимодействии могут участвовать растворители, молекулы которых обладают неподеленными электронными парами (например, вода, аммиак).

3. При растворении веществ с молекулярной структурой сольваты образуются вследствие диполь-дипольного взаимодействия. Диполи растворённого вщества могут быть при этом постоянными (у веществ с полярными молекулами) или наведёнными (у веществ с неполярными молекулами).

Кристаллогидраты

Вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной.

Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат.

Свойства гидратов

Гидраты, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов.

Но иногда гидраты настолько прочны, что при выделении растворённого вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов.

Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Многие из них теряют кристаллизационную воду уже при комнатной температуре.

Так, прозрачные кристаллы «бельевой» соды (Na₂СO₃ · 10H₂O), если оставить их лежать на воздухе, очень легко «выветриваются», т.е., теряя воду, становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.

Тепловые эффекты растворения и гидратации

Растворение

Количество теплоты, поглощающейся (или выделяющейся) при растворении одной грам-молекулы вещества, называется теплотой растворения этого вещества.

Тепловые эффекты различных химических реакций выражаются количеством теплоты, выделяемой или поглощаемой при образовании 1 моля продукта.

Теплота растворения имеет отрицательное значение, если при растворении теплота поглощается, и положительное – при выделении теплоты. Например, теплота растворения нитрата аммония равна –6,32 ккал/моль, гидрооксида калия +13,3 ккал/моль.

Процесс растворения сопровождается значительным возрастанием энтропии системы, так как в результате равномерного распределения частиц одного вещества в другом резко возрастает число микросостояний системы. Поэтому, несмотря на эндотермичность растворения большинства кристаллов, изменение изобарного потенциала системы отрицательно и растворение протекает самопроизвольно.

При растворении кристаллов происходит их разрушение и распределение молекул (или ионов) по всей массе растворителя, что требует затраты энергии. Поэтому растворение должно сопровождаться поглощением теплоты. Если же наблюдается обратный эффект, то это показывает, что одновременно с растворением идёт другой процесс.

Гидратация

Гидрата́ция (от др.-греч. ὕδωρ «вода») — присоединение молекул воды к молекулам или ионам. Гидратацияявляется частным случаем сольватации — присоединения к молекулам или ионам веществ молекул органического растворителя.

Процесс образования гидратов протекает с выделением теплоты. При растворении вещества, подвергающегося гидратации, общий тепловой эффект складывается их теплового эффекта собственно растворения и теплового эффекта гидратации.

Поскольку первый из этих процессов эндотермичен, а второй экзотермичен, то общий тепловой эффект процесса растворения, равный алгебраической сумме отдельных процессов, может быть, как положительным, так и отрицательным.

Источник

Тепловые эффекты при растворении веществ

Содержание:

Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!

По этой ссылке вы сможете найти много готовых курсовых работ по химии:

Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:

Введение:

Как правило, при растворении тепло поглощается или выделяется, а объем раствора изменяется. Это объясняется тем, что при растворении вещества происходит два процесса: разрушение структуры растворяемого вещества и взаимодействие частиц растворителя с частицами растворенного вещества. Оба эти процесса сопровождаются различными изменениями энергии. Энергия требуется для разрушения структуры растворенного вещества, тогда как энергия высвобождается, когда частицы растворителя взаимодействуют с частицами растворенного вещества. В зависимости от соотношения этих тепловых эффектов процесс растворения вещества может быть эндотермическим или экзотермическим. Тепловые эффекты растворения разных веществ различны. Так, когда серная кислота растворяется в воде, выделяется значительное количество тепла, аналогичное явление наблюдается, когда безводный сульфат меди растворяется в воде (экзотермические реакции). Когда нитрат калия или нитрат аммония растворяются в воде, температура раствора резко падает (эндотермические процессы), а когда растворяется хлорид натрия в воде, температура раствора практически не изменяется.

Классификация решений

Растворитель и раствор. Общие свойства истинных решений. Насыщенный, перенасыщенный и ненасыщенный раствор. Методы выражения состава раствора (массовая доля вещества в растворе, молярная концентрация, нормальная концентрация). Физическая теория решений Дж. Вант Хоффа и С. Аррениуса. Химическая теория растворов Д.И.Менделеева. Сольваты, гидраты, кристаллогидраты, кристаллизационная вода. Растворение веществ как физико-химический процесс. Тепловой эффект процесса растворения. Растворимость веществ. Факторы, влияющие на растворимость веществ. Электролиты и неэлектролиты. Теория электролитической диссоциации С. Аррениуса. Степень электролитической диссоциации. Зависимость степени диссоциации от природы электролита, природы растворителя, концентрации и температуры раствора. Кажущаяся степень диссоциации сильных электролитов. Константа электролитической диссоциации. Диссоциация воды. Ионный продукт воды. Водородный показатель. Уравнения ионно-молекулярной реакции. Гидролиз соли. Факторы, влияющие на процесс гидролиза. Степень и константа гидролиза.

Растворение происходит самопроизвольно (DS O и AS 0), поэтому с увеличением температуры их растворимость увеличивается.

Как вы можете объяснить различные значения тепловых эффектов растворения твердых веществ.

Значение AH.idr можно рассчитать, используя известные значения энтальпии других процессов. Итак, растворение ионного соединения может быть представлено в виде двух стадий: разрушения кристаллической решетки на свободные ионы и гидратации ионов. Тогда, согласно закону Гесса, тепловой эффект (энтальпия) растворения DYArasty можно представить в виде алгебраической суммы энергии (энтальпии) разрушения кристаллической решетки AR. и энтальпия гидратации ионов DNahid.

Температура обычно увеличивается с ростом температуры, но есть и обратная зависимость. Влияние температуры зависит от теплового эффекта процесса растворения и от изменения энтропии в этом процессе.

Влияние молекулярной массы полимера на тепловой эффект процесса растворения зависит от физического состояния полимера. Для высокоэластичных полимеров плотность упаковки и, следовательно, энергия межмолекулярных взаимодействий не зависят от молекулярного веса благодаря гибкости макромолекул; следовательно, тепловой эффект растворения одинаков для полимеров с различной длиной цепи. Для стеклообразных полимеров с увеличением молекулярной массы плотность упаковки полимерных цепей уменьшается, полимер становится более рыхлым, энергия межмолекулярного взаимодействия уменьшается, а термический эффект растворения увеличивается.

Мы находим противоположную картину для фторидов щелочноземельных металлов. Например, I MgF = 689 ккал, и хотя теплота гидратации превышает эту величину на 10 ккал, то есть составляет 699 ккал, тем не менее фторид магния нерастворим в воде. Объяснение этого неожиданного поведения состоит в том, что энтропия ионов уменьшается по мере того, как они переходят в раствор. Это, в свою очередь, приводит к снижению теплового эффекта процесса растворения (точнее, его абсолютного значения) примерно на 15 ккал, что определяет практически полную нерастворимость этой соли.

Безводный хлорид алюминия сильно испаряется в воздухе и с шипением растворяется в воде. Объясните причину этих явлений. Рассчитать тепловой эффект процесса растворения хлорида алюминия.

В процессе растворения твердого кристаллического вещества энергия, затрачиваемая на разрушение кристаллической решетки, компенсируется выделением энергии взаимодействия молекул или ионов с растворителем. Количественное соотношение расходуемой и выделяемой энергии определяет тепловой эффект процесса растворения. Например, энергия электростатического взаимодействия ионов натрия и хлора в кристалле хлорида натрия очень высока, и для образования свободных ионов при разрушении одного моля Na 1 потребуется энергия, равная 197 000 калорий. Однако из-за выделения теплоты гидратации ионов наблюдается очень небольшой эффект при растворении хлорида натрия.

Для аналогичных веществ (например, для газов с низкой полярностью) растворимость обычно естественным образом уменьшается с увеличением эндотермичности теплового эффекта процесса растворения.

Для большинства физико-химических расчетов необходимо знать теплоемкость веществ, участвующих в процессе, тепловые эффекты процессов растворения, фазовых превращений и химических реакций. Эти значения могут быть измерены экспериментально. При температурах, близких к комиатным (20-50 ° С), широко используется калориметрический метод.

Растворимость твердых веществ зависит от теплового эффекта процесса растворения. Если он является эндотермическим, то при повышении температуры их растворимость увеличивается в соответствии с принципом Ле-Шателье.

В зависимости от соотношения величины этих тепловых эффектов процесс растворения вещества может быть эндо- и экзотермическим.

Количество тепла, поглощаемое или выделяемое при растворении одного моля вещества в избытке растворителя, называется теплотой растворения этого вещества.

Концентрация решений

Концентрация растворения относится к количеству растворенного вещества, содержащемуся в определенном количестве или в определенном объеме раствора или растворителя.

В химии наиболее часто используются следующие способы выражения концентрации.

Процентная концентрация. Показывает количество граммов растворенного вещества, содержащегося в 100 г раствора. Например, 15% водный раствор соли представляет собой такой раствор, 100 г которого содержит 15 г соли и 85 г воды.

Вывод:

Молярная концентрация (молярность). Показывает количество молей растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора, обозначенное в моль / л или формуле вещества, заключенной в квадратные скобки. Например, [NaOH] = 2 моль / л представляет собой раствор, содержащий 2 моль (или 80 г) гидроксида натрия в одном литре раствора.

Эквивалент (обозначенный буквой E) представляет собой действительную или условную частицу вещества, которая может заменить, добавить, высвободить или каким-либо другим образом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительные реакции.

Кислотный эквивалент равен молярной массе кислоты, деленной на ее основность, то есть на число атомов водорода в молекуле кислоты, которая может быть заменена металлом.

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Источник

ГИДРАТАЦИЯ. ГИДРАТЫ. ГИДРОЛИЗ

ГИДРАТАЦИЯ. ГИДРАТЫ. ГИДРОЛИЗ. Гидратация (греч. «хюдор» – вода) – присоединение воды к ионам, атомам или молекулам. Продукты такого процесса называются гидратами. Гидролиз (греч. «лисис» – разложение, растворение) – химическая реакция разложения вещества водой.

В течение многих лет химики считали растворение веществ в воде чисто физическим процессом. И сейчас в школьных учебниках к таковым относят, например, растворение в воде сахара. Действительно, при испарении воды из раствора сахара при пониженном давлении легко получить исходное вещество в неизменном виде.

В то же время накапливались данные о том, что процесс растворения нельзя считать чисто механическим смешением компонентов, как, например, гексана и гептана. Так, растворы хлорида натрия и многих других соединений обладают электропроводностью, а сам процесс растворения нередко сопровождается значительными тепловыми эффектами (см. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ). Более того, некоторые соединения при растворении изменяют даже цвет. Например, сульфат меди бесцветный, а его разбавленный раствор – голубой, хлорид кобальта(II) голубой, а его водные растворы розовые. Все эти факты показывают, что растворение в воде – физико-химический процесс, вызванный гидратацией, то есть взаимодействием вещества с водой.

В ходе гидратации в ряде случаев происходит обратимое присоединение воды к ионам, атомам или молекулам растворяемого вещества с образованием гидратов. Так, при растворении в воде кристаллических ионных соединений (солей, щелочей, а также некоторых кислот, например, лимонной и щавелевой), молекулярных соединений (хлороводорода, серной кислоты, спирта, глюкозы и др.) происходит гидратация катионов и анионов, из которых состоит растворяемое вещество, либо гидратация ионов, образующихся в процессе растворения. При этом молекулы воды сохраняются как целое.

Алгебраическая сумма энергии кристаллической решетки (или энергии разрыва связей) растворяемого вещества и энергии гидратации ионов определяет суммарный тепловой эффект растворения. В случае ионных соединений процесс может быть существенно экзотермическим (растворение в воде серной кислоты, гидроксидов натрия и калия может вызвать даже вскипание раствора), существенно эндотермическим (стакан с водой, в котором быстро растворяют нитрат аммония, примерзает к влажной подставке) или термонейтральным (растворение бромида натрия практически не сопровождается изменением температуры).

При кристаллизации многих солей из их водных растворов молекулы воды входят в состав кристаллической решетки с образованием кристаллогидратов различного состава, например, LiCl·H₂O, CuCl₂·2H₂O, Ba(ClO₄)₂·3H₂O, CdBr₂·4H₂O, Na₂S₂O₃·5H₂O, AlCl₃·6H₂O, FeSO₄·7H₂O, MgI₂·8H₂O, Fe(NO₃)₃·9H₂O, Na₂SO₄·10H₂O, Na₂HPO₄·12H₂O, Al₂(SO₄)₃·18H₂O и др. При нагревании, а также при хранении на воздухе (особенно при низкой влажности) многие кристаллогидраты выветриваются, теряя частично или полностью молекулы воды.

Гидратация молекулярных соединений происходит обычно за счет водородных связей и, как правило, не сопровождается существенным тепловым эффектом. Примером может служить растворение сахара. Молекулы воды легко образуют водородные связи с гидроксильными группами, поэтому даже вещества с большими молекулами хорошо растворяются в воде, если содержат много гидроксильных групп (сахароза, поливиниловый спирт). Соединения с небольшими полярными молекулами также легко гидратируются полярными молекулами воды, поэтому такие соединения обычно хорошо растворяются в воде. Примером может служить ацетонитрил СН₃CN, который смешивается с водой в любых отношениях.

Необычные гидраты с некоторыми соединениями образует вода, находящаяся в твердом состоянии. В этих гидратах атомы, молекулы ряда веществ включаются в пустоты кристаллической решетки льда. Эти пустоты могут заполняться небольшими молекулами, такими как О₂, N₂, H₂S, СН₄, атомами благородных газов. Такие соединения «без химической связи» называют газовыми гидратами. Другие их название – клатраты (соединения включения). Отсутствие химических связей приводит к самым необычным соотношениям молекул воды и включенного вещества. Например, при низких температурах устойчивы соединения, содержащие на 46 молекул Н₂О восемь атомов аргона, криптона, ксенона или радона. А вот маленькие атомы гелия и неона таких клатратов не образуют, так как они «ускользают» из слишком больших для них пустот. Клатрат состава Сl₂·8H₂O получил еще Дэви в 1811 из насыщенного при 0° С водного раствора хлора.

Клатраты, образованные водой и метаном, а также другими газами, часто называют газовыми гидратами. Внешне они похожи на снег или рыхлый лет, но под давлением могут существовать и при плюсовых температурах. Поэтому газовые гидраты могут закупорить газопровод и привести к аварии. Гидраты метана широко распространены в природе, в особенности на шельфе океанов; запасы природного газа в виде газовых гидратов значительно превышают его запасы в свободном состоянии.

Гидратация как химическое взаимодействие с водой может сопровождаться разрушением молекул воды, в этом случае происходит необратимая химическая реакция, которую обычно называют гидролизом – разложением водой. Реакции гидролиза известны как в неорганической, так и в органической химии. Примерами гидролиза неорганических соединений могут служить следующие процессы:

Гидролиз солей, образованных сильным основанием (щелочью) и слабой кислотой или слабым основанием и сильной кислотой сопровождается изменением кислотности среды: Na₂S + H₂O ® NaHS + NaOH, AlCl₃ + H₂O ® Al(OH)Cl₂ + HCl. В случае таких солей как Al₂S₃ (их можно получить только сухим путем) гидролиз идет до конца с выделением гидроксида металла и слабой кислоты.

В органической химии реакции гидролиза сопровождаются либо разрушением органической молекулы (гидролиз сложных эфиров, белков): CH₃COOC₂H₅ + H₂O ® CH₃COOH + C₂H₂OH, либо заменой в молекуле какой-либо группы на остаток молекулы воды, обычно гидроксил (гидролиз алкилгалогенидов): C₂H₅Br + H₂O ® C₂H₅OH + HBr. В обоих случаях гидролизу способствует присутствие щелочи, которая связывает выделяющуюся кислоту. В случае белков и других биологически активных молекул реакцию гидролиза направляют в нужном направлении специальные ферменты – гидролазы. Например, фермент амилаза способствует гидролизу крахмала; фермент трипсин направленно гидролизует в белках пептидные связи, образованные аминокислотами аргинином и лизином.

Примерами реакции гидратации в органической химии может служить каталитическая гидратация алкенов с образованием спиртов:

Реакции гидратации широко используются в промышленном органическом синтезе. Например, каталитической гидратацией из этилена получают этиловый спирт, из пропилена – пропиловый спирт, из ацетилена – уксусный альдегид, из метилацетилена – ацетон. Реакция гидратации с образованием гидратов является ключевой при формовании изделий из гипса, при «схватывании» цемента. Образование газовых гидратов используют для разделения многокомпонентных газовых смесей. Наличие запасов гидратов метана в недрах Земли перспективно для будущей добычи природного газа. Реакции гидролиза широко используются в лабораторной практике и в промышленности. Гидролизом целлюлозы получают называемый гидролизный этиловый спирт, гидролизом сахарозы – глюкозу и фруктозу, гидролизом жиров – глицерин и соли карбоновых кислот – мыла. Ферментативный гидролиз органических соединений широко применяется в пищевой, текстильной и фармацевтической промышленности.

Источник