9.1. Растворение.. Часть 1
Определение растворимости веществ
Раствором называют однофазную систему переменного состава, содержащую два или более компонентов. Вещество, присутствующее в растворе в большем количестве, обычно называют растворителем, а другие вещества - растворенными веществами. Если одно из веществ раствора является жидкостью, а другие -твердыми или газообразными, то растворителем принято называть жидкую фазу даже тогда, когда остальные вещества присутствуют в растворе в большем количестве.
Растворителем также считают то вещество, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора.
Состояние раствора определяется тремя основными параметрами: температурой, давлением и концентрацией растворенных веществ.
При растворении твердого, жидкого или газообразного вещества в выбранном растворителе при р. Т = const концентрация раствора увеличивается не беспредельно. Рано или поздно вещество, если оно не обладает неограниченной растворимостью, перестает растворяться, достигается определенная его концентрация, которая даже при самом длительном контакте растворяемого вещества и растворителя в условиях интенсивного перемешивания уже более не изменяется, остается постоянной. Это признак наступления фазового равновесия:
где Вк - растворяемое кристаллическое вещество; Вр - раствор.
Предельно возможная концентрация растворенного вещества, отвечающая фазовому равновесию, носит название растворимости этого вещества в данном растворителе при данных температуре и давлении. Раствор, находящийся фазовом равновесии с растворенным веществом, называют насыщенным.
насыщенный раствор может существовать только в контакте (через поверхность раздела фаз) с растворенным веществом. Насыщенные растворы могут быть как концентрированными, так и разбавленными в зависимости от значения растворимости веществ. Например, насыщенный раствор AgNO3 содержит при 20 oC 216 г соли в 100 г воды, а насыщенный раствор AgBr при той же температуре всего 1,2 • 10-5 г в том же количестве воды.
Вещества любого агрегатного состояния могут образовывать в определенных условиях пересыщенные растворы, т. е. такие, в которых содержание растворенного вещества больше, чем в насыщенных растворах тех же веществ при одинаковых значениях температуры и давления. Такие растворы крайне неустойчивы и при контакте с растворенным веществом переходят в насыщенные, выделяя избыток растворенного вещества.
Наконец, существуют ненасыщенные растворы - растворы, в которых при данных температуре и давлении возможно дальнейшее растворение уже содержащегося в нем вещества. Такие растворы всегда представляют собой однофазную систему.
Техника растворения кристаллических веществ в жидкостях в большинстве случаев не является сложной. Растворение проводят после измельчения вещества , так как скорость растворения кристаллов зависит от их размера. Чем крупнее кристаллы, тем медленнее идет их растворение при данной температуре.
Вследствие низкой сжимаемости жидкостей растворимость веществ практически не зависит от давления. Повышение температуры может как увеличить растворимость вещества, так и понизить ее. Известны вещества, растворимость которых практически от температуры не зависит. Растворение большинства солей и неэлектролитов - процесс эндотермический, сопровождающийся охлаждением образуемого раствора. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье повышение температуры увеличивает растворимость таких веществ.
Растворение веществ проводят обычно в химических стаканах при перемешивании смеси твердой и жидкой фаз стеклянной палочкой с надетым на ее конец кусочком резинового или полиэтиленового шланга. Лучше этот процесс осуществлять в колбах Эрленмейера (см. рис. 21), в которых ручное перемешивание содержимого не вызовет разбрызгивания жидкости.
Когда растворение вещества протекает медленно, смесь назревают и применяют механическое перемешивание (рис. 178 а, б).
Если растворение ведут при нагревании, то порошок вещест-83 вводят в жидкость порциями. Появление на дне нагреваемого сосуда слоя нерастворившегося вещества может вызвать местный перегрев сосуда и его разрушение.
Растворение вещества при кипении органического растворителя проводят в трехгорлой колбе 4 (рис. 178, б), снабженной мешалкой лучше со складными лопастями (см. рис. 184, а).
Рис. 178. Сосуды для растворения твердых веществ с мешалкой (а) и с кипящим органическим растворителем (б).1 Мерная колба с ковшеобразной воронкой (в): а: 1 - электродвигатель; 2 - резиновая трубка; 3 - стеклянная мешалка; 4 - фторопластовая пробка; 5- колба; 6- растворяемое вещество; 7- электроплитка; б: 1 - делительная воронка; 2 - мешалка; 3 - холодильник; 4 - колба; 5 - растворяемое вещество; 6- колбонагреватель
Делительная воронка 1 служит для добавления при необходимое органического растворителя, а обратный холодильник 3 возвращает испаряющийся растворитель обратно в колбу.
Растворы заданной концентрации готовят с применена мерных колб 2 (см. рис. 75), в которые вводят порошкообразную навеску растворяемого вещества с помощью ковшеобразных воронок 1 (рис. 178, в). Применять для этой цели часовые стекла или кальку (пергамент) не рекомендуют из-за возможны потери части взвешенного вещества. Навеску вещества можно пересыпать и из бюкса (см. рис. 57) небольшими порциями через сухую и чистую воронку с короткой и широкой трубкой (с рис. 197, б), слегка постукивая пальцем по воронке, чтобы трубка не забивалась веществом. Затем при помощи промывалки (см. рис. 31) чистым растворителем смывают остатки вешества из бюкса над воронкой, после чего промывают несколько раз воронку. Аналогичные операции проводят и с ковшеобразной воронкой, в которой непосредственно взвешивают растворяемое вещество.
Если есть опасения, что растворитель будет взаимодействовать со стеклом , то рекомендуется использовать мерную посуду, изготовленную из прозрачного полипропилена или других прозрачных полимерных материалов.
Рис. 179. Сосуд для определения растворимости твердых веществ (а). Отбор пробы (б). Пипетки для отбора пробы (в)
Определение растворимости твердого вещества проводят в специальных сосудах с мешалками. Предварительно исследуемую твердую фазу истирают в возможно более тонкий порошок и переносят в стеклянный сосуд 5 (рис. 179, а) через горло 4 при помощи воронки или через отросток 2. Затем в сосуд наливают растворитель на 2/3 объема, вставляют мешалку/с колоколом 6, заливают в карман 3 затворную жидкость, не взаимодействующую с растворителем и не растворяющую его пары, и помещают сосуд с мешалкой в термостат с необходимой постоянной температурой, допустимые колебания которой не должны превышать ±0,05 °С. Присоединяют стеклянную ось мешалки при помощи резиновой трубки к оси электродвигателя с регулируемым числом оборотов. Резиновая трубка должна быть достаточно толстой, чтобы не перекручиваться во время работы мешалки, а оси мешалки и двигателя сдвигают почти вплотную. Контрольный термометр располагают в термостате рядом с сосудом, который опускают в термостатную жидкость настолько, чтобы уровень жидкости в сосуде наудился под уровнем жидкости в термостате. Закончив эти операции, включают электродвигатель и регулируют число оборотов мешалки. Скорость ее вращения устанавливают такой, что жидкость в сосуде не разбрызгивалась, большая часть твердой фазы находилась во взвешенном состоянии, а колокол 6 мешалки при вращении не касался стенок кармана 3 и горла 4.
Контроль за установлением равновесия осуществляют, периодически отбирая пробу раствора (рис. 179, б) и определяя концентрацию растворяющегося вещества. Пробы отбирают либо объемными, либо весовыми пипетками с фильтром 2 на конце. Фильтром может служить стеклянная пористая пластинка 3, приваренная к трубке, тампон из полимерных волокон , ваты или фильтровальной бумаги, устойчивых в среде отбираемой жидкости. Концы пипеток с фильтром съемные, присоединяемые к концу пипетки при помощи резиновой трубки 1. После извлечения пипетки из сосуда конец с фильтром снимают, а жидкую пробу выливают в бюкс для анализа. Суспензию отбирают из сосуда пипеткой без съемного конца.
Если температура сосуда, находящегося в термостате, выше комнатной и растворимость вещества резко уменьшается с по нижением температуры, то при взятии пробы раствора пипетки предварительно нагревают до температуры на 10 - 20 °С выше температуры жидкости в термостате. Этим в некоторой степей обеспечивается неизменность состояния насыщенного раствора Пипетки нагревают в сушильном шкафу .
Если наблюдения показывают, что вещество хорошо растворяется во взятом растворителе, то равновесие достигается до вольно быстро и число проб, отбираемых через 2 - 3 ч, не превышает трех-четырех. Фазовое равновесие малорастворимы веществ устанавливается значительно дольше, в течеш нескольких суток, недель и даже месяцев. В этом случае проб отбирают через 5 - 10 ч и число их значительно. Равновесие считают достигнутым, если анализ последних двух-трех проб совпадает в пределах погрешности опыта.
Для более быстрого установления равновесия сосуд с веществом и растворителем сначала нагревают при перемешивании до температуры на 15 - 20 °С выше температуры, при которой намечают определить растворимость вещества, и затем сосуд погружают в термостат, настроенный на температуру изучаемого фазового равновесия. При этом часть растворившего вещества выделяется, что способствует ускорению достижения равновесия между твердой фазой и раствором. Аналогичным определения растворимости проводят и при других температураx, если необходимо изучить растворимость вещества в широком температурном интервале.
Другие части: