ЛЕКЦИЯ: РАСТВОРЫ

ВОПРОСЫ:

1. Характеристика растворов. Процесс растворения. Состав и свойства растворов;

2. Способы количественного выражения состава растворов

3. 1 Характеристика растворов. Процесс растворения. Состав и свойства растворов

Раствором называется твёрдая или жидкая гомогенная физико-химическая система, состоящая из двух или более компонентов, количества которых могут изменяться в широких пределах. Гомогенной называется система, состоящая из одной фазы (например, только жидкой, только твёрдой, или только газообразной фазы). Фаза – это часть системы, отделённая от других частей этой же системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком. Гетерогенная система состоит из нескольких фаз, отделённых друг от друга поверхностью раздела.

Примеры гомогенных систем: любая газовая смесь, раствор сахара в воде. Примеры гетерогенных систем: вода со льдом, насыщенный раствор с осадком (жидкая фаза и твёрдая фаза), угольная пыль в атмосфере (твёрдая фаза и газовая фаза), смесь песка и мела (твёрдая фаза песка и твёрдая фаза мела), смесь подсолнечного масла и воды (жидкая фаза масла и жидкая фаза воды).

Всякий раствор состоит из растворённых веществ и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Растворителем обычно считают тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (например, в случае водного раствора соли растворителем является вода). Если оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.

Однородность растворов делает их сходными с химическими соединениями. Выделение теплоты при растворении некоторых веществ также указывает на химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом. Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может изменяться в широких пределах. Кроме того, в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химического соединения. Непостоянство состава растворов сближает их с механическими смесями, но от смесей они отличаются своей гомогенностью.

Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями. Наиболее важный вид растворов – жидкие растворы, которые рассматриваются далее более подробно.

Растворение кристалла твёрдого вещества в жидкости протекает следующим образом. Когда кристалл вносят в жидкость, в которой он может растворяться, от его поверхности отрываются отдельные молекулы или ионы, которые вследствие диффузии равномерно распределяются по всему объёму растворителя. Отделение молекул или ионов от твёрдого тела вызвано, с одной стороны, их собственным колебательным движением, а с другой – притяжением к молекулам растворителя. Этот процесс должен был бы продолжаться до полного растворения любого количества кристаллов, если бы одновременно не происходил обратный процесс – кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы или ионы, сталкиваясь с поверхностью ещё нерастворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов. Выделение молекул или ионов из раствора будет происходить тем быстрее, чем больше их концентрация в растворе. Так как концентрация по мере растворения увеличивается, то наступит момент химического равновесия, когда скорость растворения равна скорости кристаллизации.

Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным раствором.

П ри растворении кристаллов происходит их разрушение, что требует затраты энергии, поэтому растворение должно было бы всегда протекать с поглощением теплоты. Однако, как было ранее отмечено, некоторые вещества, находящиеся в кристаллическом состоянии, растворяются в жидкостях с выделением теплоты. Это позволяет предположить, что одновременно с разрушением кристаллов твёрдого тела при его растворении происходит какое-то химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом, и в результате этого взаимодействия энергии выделяется больше, чем её расходуется на разрушение кристаллической решётки.

Рис. 6.1 – Схема ион-дипольного взаимодействия

В настоящее время установлено, что при растворении многих веществ, их молекулы или ионы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами. Процесс взаимодействия растворяющегося вещества с растворителем называется сольватацией. В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а процесс их образования – гидратацией.

Пример образования гидратированного катиона показан на рис. 6.1.

При растворении веществ с ионной структурой полярные молекулы воды, являющиеся диполями, удерживаются около ионов силами электростатического притяжения (ион-дипольное взаимодействие).

Предположение о существовании в водных растворах гидратов было высказано и обосновано в восьмидесятых годах XIX века Д.И. Менделеевым, который считал, что растворение – не только физический, но и химический процесс.

Гидраты, как правило, – это неустойчивые соединения, во многих случаях разлагающиеся при выпаривании растворов. Но иногда гидраты настолько прочны, что выделяющиеся из раствора кристаллы растворённого вещества содержат определённое количество молекул воды. Этот факт также является подтверждением химизма процессов растворения. Такие вещества, в состав кристаллов которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной. Примеры кристаллогидратов: CuSO₄·5H₂O, Na₂SO₄·10H₂O, FeSO₄·7H₂O, Na₂CO₃·10H₂O.

Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Некоторые из них (например, Na₂CO₃·10H₂O) теряют кристаллизационную воду («выветриваются») уже при комнатной температуре. Для обезвоживания других кристаллогидратов (CuSO₄·5H₂O) требуется более сильное нагревание.