Лекция. Общие представления о растворах. Разбавленные

растворы неэлектролитов

1. Общие представления о растворах

Раствор - n-компонентная гомогенная система (n³2), состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах.

Растворы могут быть жидкими, твёрдыми, газообразными. Компонент, содержание которого значительно выше содержания остальных компонентов, как правило, называют растворителем. Если одним из компонентов раствора является жидкость, а другие - газы или твёрдые вещества, то растворителем принято считать жидкость.

Мы будем говорить о жидких растворах. Поэтому вспомним самые общие сведения о жидком состоянии:

1. В жидкости молекулы ориентированы друг относительно друга благодаря силам Ван-дер-Ваальса, а так же водородной связи. Молекулы не “втягиваются друг в друга” из-за отталкивания электронных оболочек (принцип Паули и принцип неопределённости) и теплового движения молекул.

2. Благодаря указанной ориентации молекулы жидкости напоминают кристаллическое вещество - каждая её молекула окружена примерно одинаковым числом соседей (ближний порядок). Ближний порядок не означает отсутствие движения. В отличие от кристаллического вещества в жидкости отсутствует дальний порядок.

При образовании раствора происходит сольватация (от лат. solvere - растворять) частиц растворённого вещества молекулами растворителя. Если растворитель - вода, то говорят о гидратации. При этом за счёт химических связей между разнородными молекулами образуются аквокомплексы (водные растворы) или сольватокомплексы (неводные растворы). На образование химических связей между компонентами указывают явления, наблюдающиеся при растворении: а) значительные тепловые эффекты (вспомните работы по термохимии); б) изменение окраски при образовании растворов; в) нарушение аддитивности объёмов при смешении жидкостей. Особенно это характерно для жидкостей, между компонентами которых образуются водородные связи. Так, при смешении 1 л C₂H₅OH и 1 л H₂O объём раствора равен 1.93 л.

Таким образом, растворение – это сложный физико-химический процесс, включающий как химические процессы (гидратная теория растворов Д.И. Менделеева), так и комплекс физических взаимодействий (физическая теория растворов - В.Ф. Алексеев, Вант-Гофф, Аррениус, Оствальд).

Способы выражения состава растворов приведены в табл.1.

Таблица 1. Способы выражения состава растворов*

Способ выражения состава	Расчётная формула	Размерность
Массовая концентрация, wi Молярная концентрация, ci Молярная доля ci Объемная доля ji Моляльность bi	wi=mi/m ci=ni/V ci=ni/Sni ji=Vi/V bi=ni/m^*	- моль/л - - моль/кг

* m,V- масса и объём раствора, m^*- масса растворителя.

Посмотрим на растворение с термодинамической точки зрения. Процесс

растворения идёт самопроизвольно до тех пор, пока его энергия Гиббса меньше

нуля (DG<0). При этом раствор остаётся ненасыщенным. При DG=0 раствор становится насыщенным, чему отвечает наступление равновесия. При дальнейшем растворении (T, P=сonst) растворяемое вещество выпадает в осадок, а концентрация его в растворе остаётся постоянной. Можно получить и пересыщенный раствор. Для этого вещество растворяется при нагревании, а, затем, раствор медленно охлаждается до исходной температуры. Пересыщенный раствор термодинамически неустойчив. Если его встряхнуть, или внести в него кристаллик растворяемой соли, то произойдет осаждение избытка растворённого вещества. Раствор станет насыщенным.

Когда мы говорим о растворимости соли, то значение растворимости относится всегда только к насыщенному раствору. Растворимость выражается в граммах на 100 грамм растворителя или в граммах на литр растворителя. Так, растворимость сахара в воде - 2000 г/л , а AgJ- 1.3^.10^-6 г/л. Одно и тоже вещество имеет разную растворимость в разных растворителях. Так, массовая концентрация KJ, отвечающая растворимости в воде равна 0,598, а в нитробензоле - 1.6^.10^-2.

Необходимо чётко различать понятия “насыщенный раствор” и “концентрированный раствор”. Так концентрированный 35 % раствор KBr не является насыщенным (w_{KBr, нас.}=0,658), а насыщенный раствор K₂SO₄ c кон-центрацией 2 г/л нельзя назвать концентрированным.

О влиянии на растворимость природы растворителя и растворимого вещества, агрегатного состояния вещества; температуры, давления, примесей, и т.д. Вы можете прочитать в кн. Карапетьянца М.Х. Введение в теорию химических процессов.

При изучении растворов очень полезна модельная система, которая называется идеальным раствором. Это такой раствор, образование которого не сопровождается тепловыми эффектами и изменением объёма. Иными словами, при образовании идеального раствора DH=0 и DV=0. Очевидно, что для таких растворов уменьшение энергии Гиббса связано с увеличением энтропии системы при смешении. Действительно, при образовании идеального раствора (смешении) изменение энтропии пропорционально ln(V_кон/V_нач)>0 (докажите сами!), т.е. определяется только соотношением смешиваемых компонентов и не зависит от их природы. К идеальным растворам близки растворы, образуемые смешением жидкостей со сходной структурой и природой химической связи. Например, установлено, что при смешении толуола и бензола, тепловой эффект и изменение объёма очень малы. К идеальным растворам близки очень разбавленные растворы различных веществ. В дальнейшем мы сосредоточим внимание именно на разбавленных растворах.