Растворы и их виды по природе растворённого вещества и растворитель

1. Дисперсные системы.  Истинные растворы:       

 Кристаллы  любого вещества, например сахара  или хлорида натрия, можно получить  разного размера – крупные  и мелкие. Каков бы ни был  размер кристаллов, все они имеют  одинаковую для данного вещества  внутреннюю структуру – молекулярную или ионную кристаллическую решетку.       

 При растворении  в воде кристаллов сахара и  хлорида натрия образуются соответственно  молекулярные и ионные растворы. Таким образом, одно и то  же вещество может находиться  в различной степени раздробленности: макроскопически видимые частицы (>0,2 мм, разрешающая способность глаза), микроскопически видимые частицы (от 0,2-0,1мм до 400-300нм, разрешающая способность микроскопа при освещении белым светом) и в молекулярном (или ионном) состоянии.       

 Если толщина  плёнок, поперечник волокон или  частиц (корпускул) меньше разрешающей  способности оптического микроскопа  то они не могут быть обнаружены  с его помощью. Такие невидимые  в оптический микроскоп частицы  называют коллоидными , а раздробленное (диспергированное) состояние веществ с размером частиц от 400-300нм до 1нм – коллоидным состоянием вещества.       

 Дисперсные (раздробленные) системы являются  гетерогенными. Они состоят из  сплошной непрерывной фазы –  дисперсионной среды и находящихся в этой среде раздробленных частиц того или иного размера и формы – дисперсной фазы.       

 Поскольку  дисперсная (прерывная) фаза находится  в виде отдельных небольших  частиц, то дисперсные системы,  в отличие от гетерогенных  со сплошными фазами, называют  микрогетерогенными, а коллоиднодисперсные системы называют также ультрамикрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что в этих системах граница раздела фаз не может быть обнаружена в световом микроскопе.       

 Когда вещество  находится в окружающей среде  в виде молекул или ионов, то такие растворы называют истинными, т.е. гомогенными однофазными растворами.       

 Обязательным  условием получения дисперсных  систем является взаимная нерастворимость  диспергируемого вещества и дисперсионной  среды. Например, нельзя получить коллоидные растворы сахара или хлорида натрия в воде, но они могут быть получены в керосине или в бензоле, в которых эти вещества практически нерастворимы.       

 Дисперсные  системы классифицируют по дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной  фазы и дисперсионной среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур в дисперсных системах.       

 Количественной  характеристикой дисперсности вещества  является степень дисперсности ( D ) – величина, обратная размеру ( а ) дисперсных частиц:       

 Здесь  а равно либо диаметру сферических или волокнистых частиц, либо длине ребра кубических частиц, либо толщине плёнок.        

 Степень дисперсности  численно равна числу частиц, которые можно плотно уложить  в ряд (или стопку плёнок) на протяжении одного сантиметра.       

 Если все  частицы дисперсной фазы имеют  одинаковые размеры, то такие  системы называют монодисперсными . Частицы дисперсной фазы неодинакового размера образуют полидисперсные системы.      

 С повышением  дисперсности всё большее число атомов вещества находится в поверхностном слое, на границе раздела фаз, по сравнению с их числом внутри объёма частиц дисперсной фазы. Соотношение между поверхностью и объёмом характеризует удельная поверхность: S _уд =S/V , которая для частиц сферической формы равна

а для частиц кубической формы

где r - радиус шара; d – его диаметр; l – длина ребра куба.       

 Следовательно,  с повышением дисперсности вещества  всё большее значение имеют  его свойства, определяемые поверхностными  явлениями, т.е. совокупностью процессов, происходящих в межфазовой поверхности. Таким образом, своеобразие дисперсных систем определяется большой удельной поверхностью дисперсной фазы и физико-химическим воздействием дисперсной среды на границе раздела фаз.       

 Многообразие  дисперсных систем обусловлено  тем, что образующие их фазы  могут находиться в любом из  трёх агрегатных состояний (Ж,  Г, Т).       

 Дисперсные  системы с газообразной дисперсной  средой называют аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой, а пыль и дым – аэрозоли с твёрдой дисперсной фазой; пыль образуется при диспергировании веществ, а дым – при конденсации летучих веществ.

Пены  – это дисперсия газа в жидкости, причем в пенах жидкость вырождается до тонких плёнок, разделяющих, разделяющих отдельные пузырьки газа. Эмульсиями называют дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей её жидкость. Низкодисперсные системы твёрдых частиц в жидкостях, называют суспензиями, или взвесями , а предельно-высокодисперсные – коллоидными растворами, или золями, часто лизолями, чтобы подчеркнуть, что дисперсной средой является жидкость. Если дисперсной средой является вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органическая жидкость – органозолями.       

 Дисперсные  системы могут быть свободнодисперсными и связнодисперсными в зависимости от отсутствия или наличия взаимодействия между частицами дисперсной фазы. К свободнодисперсным системам относятся аэрозоли, лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии. Они текучи. В этих системах частицы дисперсной фазы не имеют контактов, участвуют в беспорядочном тепловом движении, свободно перемещаются под действием силы тяжести. Связнодисперсные системы – твердообразны, они возникают при контакте частиц дисперсной фазы, приводящим к образованию структуры в виде каркаса или сетки. Такая структура ограничивает текучесть дисперсной системы и придаёт ей способность сохранять форму. Подобные структурированные коллоидные системы называют гелями . Переход золя в гель, происходящий в результате понижения устойчивости золя, называют гелеобразованием (или желатинированием ). Сильно вытянутая и плёночно-листочковая форма дисперсных частиц повышает вероятность контакта между ними и благоприятствует образованию гелей при малой концентрации дисперсной фазы. Порошки, концентрированные эмульсии и суспензии (пасты), пены – примеры связнодисперсных систем. Почва, образовавшаяся в результате контакта и уплотнения дисперсных частиц почвенных минералов и гумусовых (органических) веществ, также представляет собой связнодисперсную систему.       

 Сплошную  массу вещества могут пронизывать  поры и капилляры, образующие  капиллярнодисперсные системы. К  ним относятся, например, дерево, разнообразные мембраны идиафрагмы, кожа, бумага, картон, ткани.

2. Растворимость твёрдых  веществ и жидкостей  в жидкостях. Влияние  природы веществ  и температуры  на растворимость.       

 Раствором  называется твёрдая или жидкая  гомогенная система, состоящая  из двух или более компонентов,  относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.       

 Всякий раствор  состоит из растворённых веществ  и растворителя, т.е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул или ионов. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве.       

 Однородность растворов делает их очень сходными с химическими соединениями. Выделение теплоты при растворении некоторых веществ тоже 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 приближает их к механическим смесям, но от последних они резко отличаются своею однородностью. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.       

 Растворимостью  называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание его в насыщенном растворе. Поэтому численно растворимость может быть выражена теми же способами, что и состав, например, процентным отношением массы растворённого вещества к массе насыщенного раствора или количеством растворённого вещества, содержащимся в 1 л насыщенного раствора. Часто растворимость выражают также числом единиц массы безводного вещества, насыщающего при данных условиях 100 единиц массы растворителя; иногда выраженную этим способом растворимость называют коэффициентом растворимости.       

 Растворимость  различных веществ в воде изменяется  в широких пределах. Если в  100 г воды растворяется более  10 г вещества, то такое вещество  принято называть хорошо растворимым; если растворяется менее 1 г вещества – малорастворимым и, наконец, практически нерастворимыми, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества.       

 Принципы, позволяющие  предсказать растворимость вещества, пока не известны. Однако обычно вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типом связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, жидкий аммиак), а неполярные вещества – неполярных растворителях (бензол, сероуглерод).       

 Растворение большинства твёрдых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решётки твёрдого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов). Прилагая принцип Ле Шателье к равновесию между веществом в кристаллическом состоянии и его насыщенным раствором

Кристалл + Растворитель Насыщенный раствор ± Q

приходим к  выводу, что в тех случаях, когда  вещество растворяется с поглощением  энергии, повышение температуры должно приводить к увеличению его растворимости. Если же, однако, энергия гидратации достаточно велика, чтобы образование раствора сопровождалось выделением энергии, растворимость с ростом температуры понижается. Это происходит, например, при растворении в воде многих солей лития, магния, алюминия.       

 При растворении  твёрдых тел в воде объём  системы обычно изменяется незначительно.  Поэтому растворимость веществ,  находящихся в твёрдом состоянии,  практически не зависит от  давления.       

 Жидкости  также могут растворяться в  жидкостях. Некоторые из них  неограниченно растворимы одна  в другой, т.е. смешиваются друг  с другом в любых пропорциях, как, например, спирт и вода, другие  – взаимно растворяются лишь  до известного предела. Так если взболтать диэтиловый эфир с водой, то образуется два слоя: верхний представляет собой насыщенный раствор воды в эфире, а нижний – насыщенный раствор эфира в воде. В большинстве подобных случаев с повышением температуры взаимная растворимость жидкостей увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута температура, при которой обе жидкости смешиваются любых пропорциях.       

 Температура,  при которой ограниченная взаимная  растворимость жидкостей переходит  в неограниченную, называется критической температурой растворения .       

 Как и в  случае растворения твёрдых тел,  взаимное растворение жидкостей  обычно не сопровождается значительным  изменением объёма. Поэтому взаимная  растворимость жидкостей мало  зависит от давления и заметно  возрастает лишь при очень высоких давлениях (порядка тысяч атмосфер).     

 Если в  систему, состоящую из двух  несмешивающихся жидкостей, ввести  третье вещество, способное растворяться  в каждой из этих жидкостей,  то растворённое вещество будет  распределяться между обеими  жидкостями пропорционально своей растворимости в каждой из них. Отсюда вытекает закон распределения , согласно которому вещество, способное растворяться в двух несмешивающихся растворителях, распределяется между ними так, что отношение его концентраций в этих растворителях при постоянной температуре остаётся постоянным, независимо от общего количества растворённого вещества:       

 Здесь С  ₁ и С ₂ – концентрации растворённого вещества в первом и втором растворителях; К – так называемый коэффициент распределения .

3. Способы выражения  концентрации растворов:  массовая – С%, молярная – С  _м и нормальная (эквивалентная) – С _н .

• Массовая доля – отношение (обычно – процентное) массы растворённого вещества к массе раствора. Например, 15% (масс.) водный раствор хлорида натрия – это такой раствор в 100 единицах массы которого содержится 15 единиц массы NaCl и 85 единиц массы воды.
• Молярная концентрация, или молярность – отношение количества растворённого вещества к объёму раствора. Обычно молярность обозначается С _М или (после численного значения молярности) М. Так, 2 М H ₂ SO ₄ означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 моля серной кислоты, т.е. С _М =2моль/л.
• Эквивалентная, или нормальная концентрация – отношение числа эквивалентов растворённого вещества к объёму раствора. Концентрация, выраженная этим способом, обозначается С _Н или (после численного значения нормальности) буквой н . Так 2 н H ₂ SO ₄ означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 эквивалента серной кислоты, т.е. С _Н (1/2 H ₂ SO ₄ ) =2моль/л.