Ерітінділер

 

 Жоспар.  
1. Ерітінділердің жалпы сипаты  
2. Идеал ерітінді. Рауль заңы, Коновалов заңы   
3. Идеал ерітінділердің термодинамикалық қасиеттері  
4. Идеал ерітінділердің қайнау және балқу температуралары  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЕРІТІНДІЛЕРДІҢ ЖАЛПЫ СИПАТЫ

Ерітінді деп екі  немесе бірнеше компоненттен тұратын гомогенді системаларды айтады. Әдетте ерітінділердің тығыздығы, қайнау және қату температурасы, тұткырлығы сияқты касиеттері өзгеріп отырады. Ерітінділерді жай механикалық қоспа деп те, химиялық косылыс деп те қарастыруға болады.

Ерітіндінің механикалық қоспадан басты айырмашылығы ондағы әрбір микроско-пиялық (өте кіші, ұсақ) бөлшектерді химиялық кұрамы мен физи-калық қасиеттерінің көлемде бірдей болуында. Ал химиялық қосылыстардан негізгі өзгешелігі оның құрамыньвд еритін зат көп еріткіштід мөлшеріне тәуелділігінде және еселік катынас заңына бағынбауында. Мысалы, ас тұзы суда тек белгілі мөлшерде ғана ериді. Айталық, 20°С (293Қ)-та алынған 100 мл суда ас тұзыньщ 36,8 грамы ғана ериді де, одан әрі оның мөлшерін қанша көбейтсек те ол ерімейді. Бұл қалыпты жағдайда кездесетін құбылыс. Ерітіндінің химиялық қосылыстан тағы бір өзгешелігі химиялық байланыс табиғатында. Егер химиялық қосылыстар негізінен ионды, ковалентті байланыстармен сипатталса, ерітіндідегі байланыс, газдарда кездесетін аса әлсіз вандерваальстік, ал кейбір жағдайларда косымша сутектік байланыстармен түсіндіріледі. 

Жай қоспалардағы заттар өзара ешбір байланыссыз-ақ араласса, ерітіндідегі еріткіш пен еритін заттар арасында әлсіз болса да химиялық байланыс болады. Мысалы, бірдей өлшемдегі кұм мен ағаш немесе темір үгіндісін араластырса, қоспа пайда болады және оларды бірбірінен бөлуге болады. Ал, ас тұзын немесе қантты су да ерітсе, олар оңайлықпен әуелгі жеке заттарға бөлінбейді.

Көбінесе, екі зат, бірбірінде ерігенде, олардьщ арасында өзінін, агрегаттык күйін өзгертпейтін немесе ерітінді кұрамындағы мөлшері басым болатын бөлікті еріткіш дейді. Демек, “еріткіш”, “еритін зат” ұғымдары салыстырмалы екенін ескеру керек. Мысалы, спирт пен судың тең бөлігін бір-бірінде ерітсе, олардың қайсысының еритін зат, қайсысының еріткіш екенін ажыратуқиын, өйткені екеуі де сұйық және бірбірінде ерігіштіктері бірдей. Мұндайда ерітінді кұрамындағы компоненттер туралы айткаі д\рыс. Сондықтан компоненттердің агрегаттык ю,иш сскеріп, ертпділсрді үш топқа белуге болады. газдың газдардағы ерітіндісі (газ коспасы); сұйық ерітінділер; қатты ерітшділор. Газ ерітінділеріне ауа, ал қатты ерітінділерге түрлі металдардың қорытпалары мысал болады. Ал, сүйық ерітінділер газдардың сұйықтағы ерітінділері; сұйықтың сұйықтағы ерітінділері, қатты заттардың сүйықта-ғы ерітшділері болып бөлінеді.                                                                 Еріткіші су болатын ерітінділер табиғатта кең тараған. Жер қыртысындағы, өсшдіктер мен тірі организмдердегі процестер сусыз жрмейді. Осыдан ерітінді дегешміз жай ғана құбылыс емес, ол өте күрделі физикалық және ХИМРЯЛЫҚ касиеттері бар күрделі құбылыс екенін көреміз. 

 

Еру процестері кейде жылу бөліну арқылы жүрсе, енді бірде жылу сіңіру арқылы да жүреді, яғни зат қыздырганда ғана ериді.

Сондай-ак, кей заттарды еріткенде ерітіндінің көлемі кемуі  неме-се артуы мүмкін. Мысалы, күкірт қышкылын не натрий гидрокси-дін суда еріткенде едәуір жылу бөлінеді. Бұл еріген зат пен еріткіш арасында химиялық реакцияның жүргендігін көрсетеді. Бұл процестІ сольватация, ал пайда болған қосылысты сольват дейді. Зат суда еритін болса, процесс, гидратация, қосылыс гидрат делінеді.                                                                                Ерітінді жайлы ілім өз алдына жеке бөлім болып, жалпы табиғаттану ғылымынан бөліне бастағаннан оның табиғатына қата-рынан екі көзқарас қалыптаса бастайды. Олардың бірінерітінділердін, физикалық, ал екіншісін - химиялық теориясы дейді. Ерітінділердің физикалық теориясы XIX ғасырдың екінші жартысында қалыптасты. Ол теорияның негізін салушылар С. Аррениус пен Я,Вант-Гофф болды. Бұл теория еру процесі жай физикалық қоспа ретінде, еритін заттардың ұсақ бөлшектері еріткіш көлемінде біркелкі таралған, олардың араларында ешбір әрекет бол-майтын орта сияқты ұғымда қарастырылады. Олай болса, бұл теория еритін зат пен еріткіш араларында ешбір химиялық әрекет жүрмейді деген пікірді теріске шығармайды. Жалпы физикалық теория ерітінділердін, қайнау температураларының жоғарылауы, қату температураларының төмендеуі, будың қысымы, осмостық қысым сияқты касиеттеріне сүйенді. Бұл шамалар ерітін-ділердің концентрациясына тәуелді де, еріген заттың табиғатына тәуелсіз. Сондықтан да бұл теория бойынша ерітінділер еріген заттардың күйі газ күйіндегі ерітінділер секілді болып келетін молекулалардың бірыңғай қоспасы іспеттес.                                                                               Ерітінділердің химиялық теориясының негізін калаушы Д. И. Менделеев болды. Бертін келе, бүл теорияға И. А. Каблуков, Н. С. Курнаков сияқты әйгілі совет ғалымдары елеулі үлес қосып, оны жаңа деңгейге көтерді. Бұл теорияны бірінші тұжырымдаған Д. И. Менделеев күкірт кышқылыньщ, этил спиртінің және басқа да қосылыстардың судағы ерітінділерін нақты, жан-жақты зерттеді. Мұның нәтижесінде ол, ерітіндідегі компоненттер арасында, яғни еріген зат пен еріткіш арасында химиялық әрекеттер жүреді деген қорытынды шығарды. Мысалы, Менделеев күкірт қышқылының ерітінділерінде бірнеше гидраттардың түзілетінін анықтады. Ол сондай-ақ, еріткіш пен еритін зат молекулаларының арасындағы байланыс негізінен сутектік байланыс арқылы немесе ондағы қосылыстар құрамына енетін полюсті молекулалар араларындағы өзара электростатистикалық әрекеттесу салдарынан болатынын анықтады.

Идеал ерітінді. Рауль заңы. Кез келген затты еріткенде еріткіш буыньщ қысымы төмендейтінін көптеген тәжірибе көрсетті. Осы негізде ерітінді құрамы мен бу қысымының төмендеуі ара-ларындағы байланысты Ф. Рауль ашқан. Оған дейінгі оқымыстылар тек кышқылдар мен негіздердін, судағы ерітінділерін ғана зерттеп, онда кездесетін диссоциация сияқты, әлі табиғаты толық айқын емес кұбылыстарға келгенде, оны түсіндіре алмады. 1882 жылы Рауль отыздан астам органикалық қосылыстың судғы әр түрлі концентрациялы ерітінділерін зерттеп, олардьщ қату температураларын аныктайды. Қандай қосылыс болмасын, олардың бір молін 1 литр еріткішке (суда) еріткенде, осы ерітінділердің бәрінің қатаю температуралары бір шамаға, дәлірек айтқанда 1,85°С-қа төмендейтінін байқайды. Бұл заңдылық еріген заттың табиғатына тәуелсіз болды. Ол судың орнына бензолды алып, он-да бір мольден бірнеше органикалық қосылыстарды ерітеді. Мұнда да құрылысы мен табиғатына тәуелсіз бірдей көлемдегі бензолда бірдей мольдегі органикалық қосылыстарды еріткенде ерітінділердің қату температуралары бір шамаға ғана төмендеген. Мысалы, Рауль тәжірибесіндегі ерітінділердің бәрі де 5,2°С-та қатқан, ал таза бензол 5,5°С-та кристалданады. Сосын, Рауль 1886 жылы қату температурасынан кейін сусыз ерітінділердің бу қысымын анықтауға ауысады. Бұл, 1887 жылғы ғылыми баспада жарияланған тәжірибе нәтижесінде табылған задға әкеледі. 

Ал, егер Р°_А — берілген температурадағы будын таза еріткіш үстіндегі (бетіндегі) қысымы десек, ал РА — осы температурадағы еріткіш буының ерітінді бетіндегі кысымы. Онда Рд — РА айырма-сы бу қысымының төмендеуіне тең.  

(Р°_А — Р_А)/Р^О_А — катынасы берілген ерітінді үшін бу қысымның салыстырмалы төмендеуі. ^Рауль заңының тұжырымдалуына орай, ерітінді бетіндегі еріткіц/&ысымының салыстырмалы төмендеуі, сұйықта еріген заттың мольдік үлесіне тең: 

Бу қысымыныд салыстырмалы төмендеуі берілген ерітіндідегі еріген және оны еріткен заттардың табиғаты мен температурасына тәуелсіз. Еріген кездегі жылуы нөлге тең, яғни жылу бөлінбейтін және көлемі еріген және ерітетін компоненттер көлемдерінің қосындысына тең болатын ерітінділер үшін Рауль заңының дұрыстығы байқалады.

Кез келген температура  мен концентрацияларда Рауль  заңына бағынатын ерітінділерді идеал ерітінділер дейді. Идеал ерітінді-ден басқалардың бәрі де Рауль заңынан шамалы болса да ауыт-қиды Алайда, бұл ауытқу ерітінді концентрациясы төмендеген са-йын азаяды және ерітіндіні шексіз сүйылтқан кезде (84) теңдеу-дің екі жағынан да 1-ді азайткандағы қатынас түрақты температурада әркез орындалады.                                                                   Ерітінді бетіндегі еріткіш буының қысымы ерітіндідегі еріткіштің мольдік үлесіне тура пропорционалды және ондағы пропорционалдық коэффициенті берілген температурадағы қаныққан будың таза еріткіш бетіндегі қысымы болад                                                                                                                            Ерітінді теориясы үшін идеал ерітінділердің мәні өзгеше. Өйт-кені оны идеал газдармен салыстырғанда идеал ерітінділерде мо-лекулааралық әрекет боладыСұйық заттардың бәрінде де молекулааралық әрекет бар. Система бір түрдегі молекулалардьщ араларындағы әрекет, осы система құрамына енетін басқа түрдегі молекулалардын. араларындағы әрекет бірдей болса, ондай ерітінділерді идеал ерітінділер дейді. Бұл пікірді математика тілімен өрнектесек Е_АА =Еaв == Евв Мұндағы Е — әртүрлі зат молекулаларының әрекеттесу энергиясы, 4 және В — молекула түрлері. Химиялык, және физикалық қасиеттері ұқсас заттарды араластырғанда олар бір-бірінде еритін болса, идеал ерітінді пайда болады.

Идеал ерітінділер үшін T = сonst жағдайында келесі шарттар орындалуы керек:                                                                                                                                    1. U= — идеал ерітінділердін, ішкі энергиясы, ол қүра-мына енетін компоненттердін, ішкі энергияларыньщ қосындысына тең.                                   2.  —идеал ерітіндінің көлемі, сол ерітінді күрамына енетін жекеленген компоненттер көлемдерінің қосындысына тең.                                                   3.  — идеал ерітінді энтропиясы оның құрамы-на енетін компоненттердің энтропия қосындысы мен араластыру (еріту) энтропиясының қосындысына тең. Мұнда да араластыру (еріту) энтропиясы идеал газдардағыдай (А_тіх 5) таңбаланады. Рауль заңын пайдаланып, идеал ерітінді бетіндегі қысымының ерітінді құрамына тәуелділігін көрсетуге болады. Егер ерітінді құрамына енетін екі компонент үшін Рауль заңы орындалса. 

N_A+N_B=1 N_A=1-N_B (85B)  

онда будың жалпы қысымы Р = Р_А +Рв =Р°_А (1—N_B)+P_B⁰N_B=P⁰_A+(P⁰_A-P_B⁰)N_B  

яғни жалпы қысым  ерітінді құра мынан түзу сызықты  тәуелділікте болады. Онда бензол мен толуолдың бірбіріндегі ерітінділері белгілі температура аралығында алынды. Бензол мен толуолдың физикалық, химиялық қасиеттері және кеңістіктегі құрылымы ұқсас. Сондықтан олар белгілі бір температура аралығында шарты орындалғанда Рауль заңына бағынады (N— компонент құрамы, ол мольдік, көлемдік үлеспен, процент-пен беріледі).Бұл теңдеудің сол жағындагы өрнектің алымын да, бөлімін де жалпы қысымға (Р = Р_А +Рв ) бөлсек:мұндағы “б”— бу —“с”— сұйық күйдегі фазаларды көрсетеді. Мұнан идеал системалардағы бу мен оған тепе-теңдіктегі сұйық құрамы бірдей болмайтыны байқалады. Олар өзара бірдей • болуы үшін, таза компоненттердің бетіндегі қаныққан будың қысымдары да өзара тең болуы керек: Р°_А=Р°_В . Бұл жағдай орын-далмаса, ерітінді бетіндегі будың құрамында, жеңілдеу буланатын (тезірек, ертерек қайнайтын) компоненттің буы молырақ болады, 

Бұл Коноваловтың (1881) бірінші заңы деп аталады да, былайша тұжырымдалады; қаныққан буды тецдіктегі ерітіндімен салыстырғанда, системаға қосылған компонент сол ерітіндінің жалпы қы-сымын арттыратын немесе қайнау температурасын төмендететін болса, онда қаныққан бу қурамындары компонент ерітінді к,ұра-мындағыдан мол болады. Бұл заңды басқаша былай да тұжырымдауға болады:

а) берілген компоненттщ мөлшерін суйық фазада салыстырмалы ғана арттыру оныц будағы салыстырмалы мөлшерінщ мо-лаюына әкеледі;                                                                                                            б) еселенген спстемадагы буды онымен теңдікте бола-тын сұйьщпен салыстырғанда, системаға қосқанда жалпы щы-сымды көбейтетін немесе қай-нау температурасын сол қы,-сымда төмендететін компонент буына салыстырмалы түрде молырақ болады.

Коноваловтың бірінші  за-нын тек идеал ерітінділерге  ғана емес, Рауль заңына бабайтын ерітшділер ушінде де колдануға болады. Онда екі компонент бар. Олардыңбірі- бензол (А компоненті). Таза бензол 80°С-та қайнайды. Екінілісі -толуол не метилбензол (В компоненті). Таза толуол 110°С-та қайнайды. Олардын физикалық, химиялық қасиеттері және структуралық құрылымы ұқсас. Диаграммадағы 1-қисықтың үстінде сұйық, 2-қисықтың астында бу орналасқан. Әрине, мұнда дя теңдік жағдайы болу керек. Со-нымен, диаграммадағыР°_А және Р°_в нүктелерінде бу мен сұйық-тың құрамы бірдей. Бензолдын қайнау температурасы толуолдікі-нен төмен болғандықтан, оның бу қисығының әрбір нүктесі 1сызықтан солға қарай ығысады. 1 және 2-қисықтын ортасында сұиық пен бу өзара тепе-теңдік жағдайында болады. Сұйық пен бу сызықтарының араларына жүргізілген изобара сызықтарын нодтар дейді. Нодтардың с және А, с’ және д.’ сияқты ұштары тепе-тең-дікте болатын бу және сұйық фазалардың құрамын көрсетеді. Сол ‘ сияқты, диаграмма тұрақты температурада жасалғандықтан, ондағы әрбір нүкте система күйін толық сипаттайды. Мысалы, диаграммадағы Іп нүктесі системаның Л/_т құрамындағы бір фазалы сұйық ерітіндісіне сәгкес екенін көрсетеді. Мұндай нүктелерді фигуративті нүкте дейді. 

Егер қысымды төмендетсе фигуративті нүктесі төмендейді де с нүктесінде булана бастайды және осы кезде система екі фазалы болады. Алғашқы пайда болған будың құрамы М_а < Қысымды онан әрі төмендеткенде фигуративті нүкте 1-қисық бойымен төмендеп, с’ нүктесінде тоқтады десек, осы күйдегі система құрамы с’Л’ нүктелерінің абсцисса арқылы анықталатын сұйық пен бу тепе-теңдігін көретеді. Сосын қысымды тағы да төмендетсе, фи-гуративті нүкте 2-қисықтағы с»-ге жетеді. Мұндайда барлық сұйық буға айналады және қысымды онан әрі төмендетсе, енді ондағы кысымның өзі Nт қүрамдағы бу қысымына теңеледі. Бұл қарастырылған процесті изотермиялық айдау дейді.

Сұйықтағы газ ерітінділері. Сұйықтағы газдардың ерігіштігі қысым, температура, сол сияқты еритін газдар мен еріткіш таби-ғатына байланысты болады. Газдардың сұйықтығы ерігіштігінің қысымға тәуелділігі Генри заңымен анықталады. Ол заң бойын-ша, тұрақты температурадағы еріген газдардьщ мөлшері ерітінді бетіндегі еріген газдардыц қысымына пропорционалды:                                                                                       Сұйықтағы газ ерітінділері. Сұйықтағы газдардың ерігіштігі температура,сол сияқты еритін газдар мен еріткіш таби-ғатына байланысты болады. Газдардың сұйықтығы ерігіштігінің қысымға тәуелділігі Генри заңымен анықталады. Ол заң бойын-ша, тұрақты температурадағы еріген газдардьщ мөлшері ерітінді бетіндегі еріген газдардыц қысымы