Основные характеристики растворов

 

Раствором называется гомогенная однородная дисперсная система, состоящая не менее чем из двух компонентов – растворителя и растворенного вещества.

Растворитель по фазе совпадает с раствором.

Растворяемое вещество может быть в любой фазе (Г, Ж, Т).

 

Дисперсные системы

Взвеси Коллоидные растворы Истинные растворы

Размер частиц > 100 нм от 1 до 100 нм < 1 нм

 

суспензии эмульсии

(Т в Ж) (Ж в Ж)

(глина в воде) (молоко) (кремниевая кислота H₂SiO₃)

со временем расслаиваются

 

Важнейшей характеристикой раствора является концентрация растворенного вещества. Концентрация выражается содержанием растворенного вещества в единице массы или объема раствора или растворителя.

Способность одного вещества растворяться в другом характеризует количественное выражение, называемое растворимостью.

Растворимость – масса вещества (г), которая может быть растворена в 100 г растворителя при данной температуре до получения насыщенного раствора, L (г/100 г растворителя).

Предсказать растворимость сложно. Можно руководствоваться приближенным правилом – “подобное растворяется в подобном”. Вещества с полярными и ионными связями легче растворяются в полярных растворителях (ионные кристаллы NaCl в воде), напротив, вещества с неполярными связями – в неполярных растворителях (неполярные молекулы J₂ в бензоле С₆Н₆, четыреххлористом углероде СС1₄ и других органических растворителях).

Растворимость большинства веществ возрастает с температурой, растворимость газов – падает.

Растворы нельзя рассматривать как простые механические смеси молекул, подобно газовым смесям, так как при растворении наблюдается взаимодействие растворителя и растворяемого вещества с образованием комплексов переменного состава – сольватов. Этот процесс сопровождается тепловыми эффектами, изменением объема, цвета, электропроводности и др. В то же время, растворы нельзя считать химическими соединениями, так как нет скачкообразного изменения свойств в зависимости от молярного соотношения компонентов. Растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями, а растворение – это всегда физико-химический процесс.

 

Сольватная теория Менделеева. Теория электролитической диссоциации Аррениуса.

 

Д.И.Менделеев много занимался изучением процессов растворения и природы растворов. Он первым высказал мысль о химическом взаимодействии молекул (ионов) растворяемого вещества и растворителя с образованием соединений – сольватов (или гидратов в случае, когда растворителем является H₂O).

Аррениус изучал электропроводность растворов и выяснил, что водные раствора ацетона, спирта тока не проводят. Эти вещества называются неэлектролитами. Водные растворы солей, кислот, оснований – проводят электрический ток. Эти растворы он назвал электролитами.

Аррениус высказал мысль, что молекулы электролитов распадаются на ионы, которые и проводят электрический ток. Это явление он назвал электролитической диссоциацией (ионизацией).

Каблуков И.А. и Кистяковский В.А. развили теорию Менделеева и Аррениуса и показали, что причиной диссоциации (ионизации) электролитов является взаимодействие полярных молекул растворителя (например, диполей Н₂О) с полярными молекулами или ионными кристаллами вещества с образованием сольватированных (гидратированных) ионов.

Механизм образования сольватов.

 

1. Образование сольватов может проходить за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Этот механизм характерен для процессов растворения в неполярных растворителях:

I_2(кр) + n C₂H₅OH ¾¾¾® I₂ × n C₂H₅OH_(p) (сольват)

фиолет. б/цв коричневый

 

2. Диполь-дипольное взаимодействие характерно для растворения вещества с полярными связями в полярных растворителях (например, Н₂О):

HCl + (n+m) H₂O ¾¾¾® H₃O⁺ × (n-1) H₂O + Cl^- × m H₂O

диполь диполь гидратированные ионы

Диполь-дипольное взаимодействие приводит к разрыву связей в молекуле НС1 и образованию

ионов гидроксония и хлорид-ионов - в итоге получается раствор кислоты.

 

3. Ион-дипольное взаимодействие харатерно для процессов растворения ионных кристаллов в полярных растворителях. Рассмотрим растворение NaCl в воде:

Na_n⁺ Cl_n^- + n (x + y) H₂O ¾¾® nNa⁺ × x H₂O + nCl^- × yH₂O

кристалл гидратированные ионы

Ионизация проходит в момент растворения кристалла соли за счет ион-дипольного

взаимодействия между солью и водой. Полярные молекулы воды (диполи) извлекают ионы соли

из кристалла за счет образования гидратов.

 

Сольваты и гидраты, как правило, непрочные соединения и разлагаются при испарении растворителя. Однако иногда связи настолько прочные, что гидраты сохраняются в кристаллах, полученных выпариванием растворов солей – кристаллогидраты: BeCl₂ × 4H₂O,

AlCl₃ × 6H₂O,

CuSO₄ × 5H₂O ¾® CuSO₄, и др.

синие кристаллы б/цв

 

Свойства разбавленных растворов неэлектролитов

 

Неэлектролиты – это вещества, растворы которых не проводят электрический ток. Если растворы разбавленные (концентрация растворенного вещества мала), то их можно рассматривать как механические смеси, т.е. не учитывать слабое взаимодействие между компонентами (силы межмолекулярного взаимодействия). Каждый компонент ведет себя независимо и свойства раствора определяются только концентрацией растворенного вещества.

 

Давление пара растворителя над раствором.

При данной температуре давление насыщенного пара над любой жидкостью – величина постоянная (например, таблицы упругости водяного пара).

 

Рис.5. Зависимость давление насыщенного пара раствора от температуры. Диаграмма состояния.

 

При t°= 0°С р⁰ (Н₂О) = 4,6 мм рт ст (или 613 Па)

10°С р⁰ (Н₂О) = 9,2 мм рт ст

100°С р⁰ (Н₂О) = 760 мм рт ст (или 101325 Па)

 

При растворении в жидкости нелетучего вещества давление насыщенного пара растворителя уменьшается, так как понижается доля молекул растворителя как во всем объеме, так и на поверхности раздела фаз. Таким образом, давление (упругость) насыщенного пара растворителя над раствором всегда меньше, чем над чистым растворителем.