ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ РАСТВОРЕНИИ ВЕЩЕСТВ

Растворы. Классификация растворов.

Растворами называются гомогенные системы переменного состава, состоящие из двух или более компонентов.

Существуют растворы твердых, жидких и газообразных веществ в жидких растворителях, а также однородные смеси (растворы) твердых, жидких и газообразных веществ. В дальнейшем мы будем рассматривать только системы с жидким растворителем.

Раствор состоит из растворенных веществ и растворителя.

Растворитель – компонент, который преобладает и находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор.

Истинные и коллоидные растворы

В растворах вещества могут находиться в различных степенях дисперсности (т.е. раздробленности). Величина частиц служит важным признаком, обуславливающим многие физикохимические свойства растворов.

По величине частиц растворы делятся на:

1. Истинные растворы (размер частиц меньше 1 мкм) и

2. Коллоидные растворы (размер частиц от 1 до 100 мкм).

Смеси с частицами размером более 100 мкм образуют взвеси: суспензии и эмульсии.

Истинные растворы могут быть ионными или молекулярными в зависимости от того, диссоциирует ли растворённое вещество на ионы или остаётся в недиссоциированном состоянии в виде молекул.

Коллоидные растворы резко отличаются по свойствам от истинных растворов. Они гетерогенны, так как имеют поверхность раздела между фазами – растворённым веществом (дисперсной фазой) и растворителем (дисперсионной средой).

В процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием хаотически движущихся частиц растворителя переходят в раствор, образуя в результате беспорядочного движения частиц качественно новую однородную систему.

Процесс растворения является обратимым, так как может осуществляться не только переход частиц растворяемого вещества в раствор, но и выделение частиц из раствора в результате, например, процесса кристаллизации.

Через определенное время процессы растворения или выделения частиц при данных внешних условиях приводят систему к состоянию равновесия – состоянию, в котором скорости этих процессов равны. В состоянии равновесия образуются насыщенные растворы.

Насыщенным раствором называется такой раствор, который находится в равновесии с избытком растворяемого вещества – он содержит максимально возможное при данных условиях количество растворенного вещества.

Если скорость растворения превышает скорость выделения, то образуются ненасыщенные растворы, если наоборот – пересыщенные.

По соотношению количеств растворенного вещества и растворителя растворы подразделяют на разбавленные и концентрированные (растворы, близкие к состоянию насыщения).

Концентрация насыщенного раствора для данного вещества при строго определенных условиях (Т, Р и растворитель) – величина постоянная и называется растворимостью вещества.

Растворимость – способность вещества растворятся в растворителе. Количественной характеристикой растворимости является коэффициент растворимости. Он показывает, какая максимальная масса вещества может растворится в 1000 мл (т.е. 1 литре) растворителя при данной температуре. Растворимость выражается в г/л.

По растворимости в воде вещества делятся на три группы:

1. Хорошо растворимые (в таблице растворимости обозначаются буквой «р») более 10г вещества в 1 л воды при температуре 20^оС (сахар в воде);

2. Малорастворимые – «м» 0,01 – 10г на 1л воды ( сульфат кальция – гипс в воде);

3. Практически нерастворимые – «н» менее 0,01 г.

Растворимость зависит от природы растворителя, природы растворенного вещества, температуры и давления для газов.

Так растворимость газов при повышении температуры уменьшается, а при увеличении давления увеличивается. Растворимость же многих твердых веществ при нагревании увеличивается.

Зависимость растворимости от температуры показывают кривые растворимости. По ним можно определить: коэффициент растворимости веществ при различных температурах и массу растворенного вещества, которая выпадает в осадок при охлаждении раствора.

Количественной характеристикой растворимости является концентрация.

Концентрацией раствора называется количество растворенного вещества, содержащегося в определенном количестве раствора или растворителя.

Концентрацию раствора можно выражать по разному.

2. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

Массовая концентрация, массовая доля w– отношение массы растворенного вещества m[X] к массе всего раствора m[S]

Массовая доля выражается в долях единицы или процентах.

Пример. 5%-ный раствор серной кислоты в 100 граммах раствора содержит 5 грамм H₂SO₄ и 95 грамм растворителя – воды.

Молярная концентрация, молярность С_М (М) – число молей растворенного вещества n[X], содержащегося в 1 л раствора V[S]

[моль/л; моль/см³]

ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ ПРИ РАСТВОРЕНИИ ВЕЩЕСТВ

Менделеев, посвятивший исследованиям растворов более сорока лет, первым указал, что в реальном растворе могут существовать не только частицы растворенного вещества и растворителя (Н₂+Н₂О, О₂+Н₂О, N₂+Н₂О), но часто может происходить химическое или физическое взаимодействие частиц растворяемого вещества с растворителем. Это легло в основу разработанной им гидратной теории растворов. Так, положительные и отрицательные ионы, имеющиеся в кристаллической решетке солей, могут за счет электростатического взаимодействия притягиваться к противоположно заряженным полюсам молекул растворителя.

Например, при растворении солей их катионы и анионы по закону электролитического взаимодействия могут притягивать или отталкивать полярные молекулы воды

[+(Н₂О)–]…Na⁺…[–(Н₂О)+]

[–(Н₂О)+]…Cl^–…[+(Н₂О)–]

В результате таких столкновений ионы соли могут быть окружены одним или несколькими слоями молекул воды Молекул, которые получили название «гидратных оболочек».

Такие взаимодействия в ряде случаев приводят к глубоким химическим взаимодействиям и завершаются образованием соединений растворенного вещества с молекулами воды, эти соединения называются гидратами. Часто гидратная вода оказывается прочно связанной с веществом и при выделении его из раствора входит в состав его кристаллов.

Так безводный сульфат меди белого цвета, а кристаллогидрат сульфата меди – синий.

Растворение различных веществ сопровождается выделением или поглощением тепла. Это физико-химическое явление состоит из двух стадий:

1. разрушение кристаллической решетки

NaCl_кр NaCl_раст

Этот процесс требует затрат энергии (эндотермический процесс). DH _{фаз.пер.}

Эта стадия при растворении газов в жидком растворителе отсутствует, т.к. они не имеют кристаллической решетки.

2. равномерное распределение частиц вещества по всему объему раствора.

Молекулы растворенного вещества могут взаимодействовать с молекулами воды, что приводит к образованию гидратов. При этом в системе наблюдается возникновение новых связей, поэтому эта стадия является экзотермической. DH _{гидрат.}

Суммарный тепловой эффект:

DH _ратв. = DH _{фаз.пер.} + DH _{гидрат.}