Растворы

Растворы — это гомогенные (однородные) смеси, состоящие из двух или более компонентов (составных частей). Отличие раствора от других смесей в том, что молекулы веществ распределяются в нем равномерно и в любом микрообъеме такой смеси состав ее одинаков. На языке химической термодинамики такая смесь называется однофазной. Как и индивидуальные (чистые) вещества, растворы могут быть в жидкой, твердой или газовой фазе (см. Фазы). Например, воздух представляет собой раствор различных газов — азота, кислорода, водорода, углекислого газа, паров воды и др. В то же время частицы пыли, капельки жидкости (туман) не являются компонентами газового раствора, так как внутри пылинки мы нашли бы только твердое вещество, а внутри капельки тумана — только жидкость, воду. Таким образом, и пыль и туман — это твердая и жидкая фазы, рассеянные (диспергированные) в растворе газов. Отличие же раствора от чистого вещества состоит в том, что индивидуальное вещество имеет определенные физические константы, например температуры плавления и кипения, определенный химический состав, в то время как физические константы и состав растворов зависят от соотношения их компонентов. Так, плотность раствора соли в воде растет, а температура замерзания падает с увеличением содержания соли.

Чистые вещества при изменении их фазового состояния не изменяют своего химического состава, а при возвращении в исходное фазовое состояние приобретают исходные характеристики. Компоненты же растворов могут разделиться При изменении фазового состояния системы. Так, испарение воды из солевого раствора (операция, издавна применяемая при добыче соли) приводит, с одной стороны, к увеличению содержания (концентрации) соли в оставшемся растворе, а с другой, сконденсировавшаяся вода представляет собой чистое вещество. Дальнейшее испарение воды приведет к выпадению твердой фазы — кристаллов соли.

Процесс образования раствора — растворение — заключается в разрушении взаимодействия между молекулами индивидуальных веществ и образовании новых межмолекулярных связей между компонентами раствора. Растворение возможно только тогда, когда энергия взаимодействия между компонентами раствора больше суммы энергий взаимодействий в исходных веществах. При растворении ионного кристалла поваренной соли в воде полярные молекулы растворителя покрывают ионы как бы шубой диполей (электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку). Эта так называемая соль-ватная оболочка полностью разделяет ионы. Общее название такого взаимодействия с растворителем — сольватация. Сольватация приводит к образованию разнообразных связей между молекулами в растворе: ион-дипольной, которая описана выше, диполь-дипольной (например, диполи хлороформа СНСl3 взаимодействуют с диполями этанола С2Н5ОН) или образованию водородных связей (см. Химическая связь). Последнее взаимодействие является одним из самых сильных и играет большую роль при растворении органических и неорганических веществ.

Растворению органических веществ друг в друге способствует схожесть их структур. Старинное химическое правило — подобное растворяется в подобном — объясняется тем, что в этом случае взаимодействия между различными молекулами похожи по типу и близки по энергии к взаимодействиям в исходных веществах. Так, образование водородных связей между молекулами воды и спирта легко компенсирует разрушение водородных связей в исходных веществах при смешении этих жидкостей. Неполярные же молекулы углеводородов не могут внедриться между молекулами воды, соединенными водородными связями, что и исключает их растворение. Часто растворение не полностью разрушает межмолекулярные связи внутри индивидуальных веществ, и они остаются частично связанными (ассоциированными). Например, органические кислоты по большей части присутствуют в органических неполярных растворителях в виде димеров, связанных водородными связями. Такие ассоциаты разрушаются при дальнейшем разбавлении. При концентрировании раствора ассоциация становится все сильнее, а молекул растворителя не хватает для разделения молекул или ионов растворенного вещества. При этом внутри раствора образуется система межмолекулярных связей исходного индивидуального вещества, которое выделяется в отдельную фазу. Оставшийся раствор, находящийся в равновесии с выделившимся компонентом, называют насыщенным. Повысив температуру, можно разрушить ассоциацию и перенести выпавший компонент в раствор. Однако это не всегда удается сделать.

Неорганические вещества с повышением температуры могут и снижать свою способность к растворению (растворимость). Растворимость твердых веществ в жидкости определяется теплотой растворения, которая может быть положительной (теплота при растворении выделяется, и с повышением температуры вещество растворяется хуже) или отрицательной (теплота при растворении поглощается, и растворимость с повышением температуры растет). Поскольку в газах межмолекулярные взаимодействия отсутствуют, их способность к взаимному растворению неограниченна. Растворимость же их в жидкостях с повышением температуры падает, так как ослабляются межмолекулярные взаимодействия молекул газа с растворителем.

В природе существуют также твердые растворы. Это в основном сплавы металлов. Физическая причина такого растворения — внедрение атомов одного металла в кристаллическую решетку другого и построение общей кристаллической решетки.

Способы выражения состава растворов

Состав растворов количественно принято выражать через безразмерные относительные величины — доли (массовую, объемную, молярную) и размерные величины — концентрации. Концентрация показывает отношение массы или количества растворенного вещества к объему раствора.

Молярная концентрация — это отношение количества растворенного вещества В к объему раствора:

c(B)=m(B)/V.

Единица молярной концентрации — моль/м3 или моль/л (последняя используется намного чаще). Для обозначения единицы молярной концентрации обычно используют символ М, например: 1М — одномолярный раствор (с= 1 моль/л); 0,01M — сантимолярный раствор (с = 0,01 моль/л).

Массовая концентрация — это отношение массы растворенного вещества В к объему раствора:

ρ(B)=m(B)/V.

Единицами массовой концентрации являются кг/м3, г/л, г/мл.

Массовая доля — это отношение массы растворенного вещества В к массе раствора:

ω(B)=m(B)/(m(B)+m(P)),

где m(Р) —масса растворителя. Массовая доля выражается в долях единицы (она — безразмерная величина). Можно выражать массовую долю в процентах. Например, массовая доля равна 0,03, или 3%.

Объемная доля — это отношение объема компонента раствора В к объему раствора:

φ(B)=V(B)/V.

Молярная доля — это отношение количества вещества компонента раствора В к сумме количеств веществ всех компонентов раствора:

χ(B)=n(B)/n,

где n = n(А)+n(В)+...; А, В, ... — компоненты раствора.

Объемная доля и молярная доля выражаются в долях единицы или в процентах.