Закон Вант – Гоффа и принцип Ле Шателье.

Введение

Человек от начала времен до настоящего времени постоянно сталкивается с множеством проблем, от вопроса решения которых порой зависело его будущее существование. Так для выживания наши предшественники учились изготавливать с целью дальнейшего использования простейшие орудия труда, благодаря которым и компенсировали свои, данные природой недостатки.
Перед первобытным человеком встает первоочередная проблема добычи пропитания, приходится осваивать охоту, а в дальнейшем земледелие со скотоводством. Но прогресс не стоит на месте и приходится осваивать еще и более сложные орудия и предметы труда, что в последствии вызвало энергетическую недостаточность, незамедлительно потребовался переход от привычного источника энергии к более совершенному. В последствии такая проблема вызвала необходимость освоения новых видов энергии. И на помощь пришла энергия пара, тепловая, электрическая и энергия атома.
Для дальнейшего развития по требовалось повышение силы труда и качественная эффективность производства, рост темпа добычи и переработки огромного объема полезных ископаемых и все возможных ресурсов, совместно с решением множества жизненно необходимых проблем, что привело к использованию химической технологии, всеобщей химизации, а в последствии и к компьютеризации всего производства в целом и быта.
С суммировав все выше сказанное можно с уверенностью сказать, что основным и главным лейтмотивом для развития цивилизации всегда было и будет выживание. Для достижения которой общество вечно будет вынуждено искать решение с помощью которого сможет лучше овладеть энергией, информацией и веществом.


1 Краткая биография Якоба Хендрик Вант-Гоффа
Родился 30 августа 1852 года, в Роттердаме Южной провинции Голландии, Нидерланды. Являлся одним из основателей такого направления как стереохимия и химическая кинетика. Стал первым лауреатом Нобелевской премии среди химиков в 1901 году. За сделанный им вклад большой важности, при открытии таких законов как химическая динамика и осмотическое давление в растворах. Его корни идут из старинного нидерландского рода (Рис.1).

Рис.1 Якоб Хендрик Вант-Гофф.
Отец Якоб Хендрик Вант-Гофф старший, был по профессии врач, а мать, Алида Кольф простой домохозяйкой. Семья была многочисленна, у него было две сестры и четверо братьев [1].
В 1867 году когда ему исполнилось 15 лет поступил в четвертый класс пятиклассной высшей городской школы именно здесь проявились увлечения химией и начались проводиться первые эксперименты.
В 1869 году поступление в Политехническую школу в Делфте окончание которой произошло за два года вместо положенных трех.
В 1871 году поступление в университет Лейденского. Немного позже принятие решения о переводе в Бостонский университет к профессору химии Фридриху Августу Кекуле. По окончанию учебы было получено удостоверение об успешной экспериментальной работе.
1874 год ознаменовался защитой докторской диссертации, посвященной синтезу цианоуксусной и малоновой кислоты.
В 1877 году получает должность лектора в Амстердамском университете.
В этот период времени уже являясь известным ученым был желаемой кандидатурой на профессорский пост в различных университетах.
1884 год, год рождения физической химии благодаря книге Вант Гоффа "Очерки по химической динамике".
После публикации нескольких работ по химической динамике и равновесию Вант-Гофф получает большую известность в ученом мире. Являлся одним из немногочисленного числа людей которые основали журнал "Физическая химия", который получил большую популярностью в мире [2].
Приняв одно из многочисленных предложений о работе, он переезжает в Берлин и устраивается В один из самых престижных и известных университетов столицы Германии. Получив в личное распоряжение новейшее лабораторное оборудование он смог без препятствий и всецело заняться любимой работой.


2 Осмос. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа
Если произойдет соприкосновение двух растворов с различными концентрациями тогда растворитель и растворенное в нем вещество начнут диффундировать в разные стороны, более вероятно в ту сторону, где концентрация станет ниже

. В последствии произойдет выравнивание концентраций (С1=С2).
Также имеет место существование особого случая односторонней диффузии, то есть когда на границе раствора и растворителя или между двух растворив с разной концентрацией располагается разделительная перегородка, устроенная таком образом, что молекулы растворителя свободно могут проходить через нее, а частицы растворенного вещества задерживаются.
Представим сосуд наполненный водой, в него опускаем цилиндр с неким раствором, нижняя часть цилиндра изготавливается из материала, который пропускает растворитель но ни как не может пропустить частицы растворенного вещества. В итоге получаем не равномерную систему т.к. в воде N1=1, то мольная доля приходящаяся на растворитель в растворе, N1<1.

Рис. 2 Схема осмометра
Поэтому система начинает самопроизвольный процесс выравнивания концентраций. Молекулы растворителя переходят в цилиндр с раствором, когда переход растворенного вещества не возможен.
Односторонняя диффузия растворителя в раствор сквозь полупроницаемую перегородку принято называть осмосом [3].
Так на рисунке 2 мы можем видеть прибор предназначенный для наблюдения осмоса и называется он осмометром.
Получается раствор должен подняться по имеющемуся цилиндру вверх, благодаря числу молекул воды проникающие в период времени по направлению от растворителя к раствору, большим числом молекул воды, проходящих сквозь мембрану в противоположном направлении.
Спустя некоторый промежуток времени жидкость в цилиндре прекращает подыматься и ее уровень становится равным высоте h, что превышает уровень жидкости в стакане. Такой столб жидкости с уровнем h поднялся за счет осмоса. Осмос остановится если скорость перехода молекул растворителя сквозь малопроницаемую перегородку в обоих направлениях станет одинаков.
Осмотическое давление это мера силы приходящейся на единицу площади поверхности и заставляющая проникать молекулы растворителя через полупроницаемую перегородку. Или выражаясь простым языком это давление которое требуется приложить к раствору для остановки осмоса.
Как правило осмотического давления в растворе нет, появится оно тогда когда произойдет отделение раствора от растворителя специальной полупроницаемой мембранной.
Осмотическое давление Росм находится в прямой зависимости от температурных состояний раствора и от концентрации, но не находится в зависимости от вида растворителя и растворенного вещества. В 1886 году голландский химик Вант-Гофф показал, что для разбавленных растворов не электролитов возможна зависимость осмотического давления от температуры и концентрации, которую можно выразить с помощью уравнения. Так звучит и выглядит закон Вант Гоффа.
Pосм=CRT
где, Pосм - осмотическое давление раствора, кПа,
C - молярная концентрация растворенного не электролита, моль/л,
R - универсальная газовая постоянная,
Т - абсолютная температура, К.
Произведем замену величины С соотношением, mMV и получим:
C=mMV
где, m - масса растворенного вещества, г,
М - молярная масса растворенного вещества, г/моль,
V - объем раствора, л.
Подставив полученное отношение в уравнение Вант-Гоффа и получим следующее:
Pосм=mMVRT ,
Уравнение Вант-Гоффа подобно уравнению идеального газа и прослеживается сходство поведения разбавленных растворов не электролитов совместно с идеальным газом, так из предыдущего уравнения выразим составляющую М:
M=mRTPосмV
Благодаря этому выражению мы можем определять молекулярную массу растворенного вещества произведя замеры осмотического давления в осмометре.
 Эффект осмоса играет большую роль в жизненном цикле растений, животных и человека.


3 Краткая биография Анри Луи Ле Шателье
Родился 8 октября 1850 года, в Париже, Франция. Не раз был награжден орденом Почетного легиона в 1916 и 1919 годах. За достижения в физике и химии [5].

Рис. 3 Анри Луи Ле Шателье
Отец Луи Ле Шателье работал горным инженером и принимал непосредственное участие в строительстве французской железной дороге