Лекция 7

Общая характеристика растворов

Все, что происходит на планете, происходит в системах, называемых растворами.

В зависимости от размера частиц растворы делятся на истинные и коллоидные. В истинных растворах (часто называемых просто растворами) растворенное вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня, частицы растворенного вещества не видимы ни визуально, ни под микроскопом, свободно передвигаются в среде растворителя. Истинные растворы – термодинамически устойчивые системы, неограниченно стабильные во времени.

Движущими силами образования растворов являются энтропийный и энтальпийный факторы. При растворении газов в жидкости энтропия всегда уменьшается ΔS < 0, а при растворении кристаллов возрастает (ΔS > 0). Чем сильнее взаимодействие растворенного вещества и растворителя, тем больше роль энтальпийного фактора в образовании растворов. Знак изменения энтальпии растворения определяется знаком суммы всех тепловых эффектов процессов, сопровождающих растворение, из которых основной вклад вносят разрушение кристаллической решетки на свободные ионы (ΔH > 0) и взаимодействие образовавшихся ионов с молекулами растворителя (сольватация, ΔH < 0). При этом независимо от знака энтальпии при растворении (абсолютно нерастворимых веществ нет) всегда ΔG = ΔH – T·ΔS < 0, так как переход вещества в раствор сопровождается значительным возрастанием энтропии вследствие стремления системы к разупорядочиванию. Для жидких растворов (расплавов) процесс растворения идет самопроизвольно (ΔG < 0) до установления динамического равновесия между раствором и твердой фазой.

Если системы состоят из некоторого вещества, в котором в очень мелком виде распределено другое вещество, они называются дисперсными. Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а вещество, в котором распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой. Если частицы дисперсной фазы имеют размер порядка размеров молекул (<10^–8 м), то дисперсную системуРазличные типы дисперсных систем являются предметом изучения в Коллоидной химии - одном из важнейших разделов химической науки. называют раствором (истинным раствором). Простейшие составные части раствора, которые могут быть выделены в чистом виде, называются компонентами раствора. Обычно компонент, находящийся в избытке, считают растворителем, а остальные – растворенными веществами.

По степени раздробленности (дисперсности) системы делятся на следующие классы: грубодисперсные, размер частиц в которых более 10^-5 м; тонкодисперсные (микрогетерогенные) с размером частиц от 10^-5 до 10^-7 м; коллоидно-дисперсные (ультрамикро-гетерогенные) с частицами размером от 10^-7 до 10^-9м. Если фиксировать внимание на двух основных компонентах дисперсных систем, то одному из них следует приписать роль дисперсионной среды, а другому - роль дисперсной фазы. В этом случае все дисперсные системы можно классифицировать по агрегатным состояниям фаз. Эта классификация была предложена Оствальдом и широко используется до настоящего времени. Недостатком классификации следует считать невозможность отнесения дисперсных систем, приготовленных с твердой или жидкой дисперсной фазой, к какому-либо классу, если размер частиц составляет несколько нанометров.

Твердая	Твердая	Рубиновое стекло; пигментированные волокна; сплавы; рисунок на ткани, нанесенный методом пигментной печати
Твердая	Жидкая	Жемчуг, вода в граните, вода в бетоне, остаточный мономер в полимерно-мономерных частицах
Твердая	Газообразная	Газовые включения в различных твердых телах: пенобетоны, замороженные пены, пемза, вулканическая лава, полимерные пены, пенополиуретан
Жидкая	Твердая	Суспензии, краски, пасты, золи, латексы
Жидкая	Жидкая	Эмульсии: молоко, нефть, сливочное масло, маргарин, замасливатели волокон
Жидкая	Газообразная	Пены, в том числе для пожаротушения и пенных технологий замасливания волокон, беления и колорирования текстильных материалов
Газообразная	Твердая	Дымы, космическая пыль, аэрозоли
Газообразная	Жидкая	Туманы, газы в момент сжижения
Газообразная	Газообразная	Коллоидная система не образуется

Академик П.А. Ребиндер предложил более совершенную классификацию дисперсных систем по агрегатным состояниям фаз. Он разделил все дисперсные системы на два класса: свободнодисперсные системы и сплошные (или связнодисперсные) системы. В свободнодисперсных системах дисперсная фаза не образует сплошных жестких структур. Эти системы называют золями. В связнодисперсных системах частицы дисперсной фазы образуют жесткие пространственные структуры. Их называют гелями.

В химической практике наиболее важны растворы, приготовленные на основе жидкого растворителя. Именно жидкие смеси в химии называют просто растворами. Наиболее широко применяемым неорганическим растворителем является вода. Растворы с другими растворителями называются неводными.

Растворы имеют чрезвычайно большое практическое значение, в них протекают многие химические реакции, в том числе и лежащие в основе обмена веществ в живых организмах.

Растворимость для различных веществ колеблется в значительных пределах и зависит от их природы, взаимодействия частиц растворенного вещества между собой и с молекулами растворителя, а также от внешних условий (давления, температуры и т. д.).

Для различных целей в технике и лабораториях приходится пользоваться разными способами приготовления растворов, поэтому и возникли разные виды представления концентраций растворителей и растворенных веществ.

Концентрация – величина, выражающая относительное содержание данного компонента в растворе. Существуют следующие основные способы выражения концентрации растворов.

Массовая доля – величина, показывающая, какую долю от массы раствора составляет масса растворенного вещества:

или в процентах:

Молярная концентрация (молярность) – величина, показывающая, сколько моль растворенного вещества содержится в 1 литре раствора:

    (моль/л),

где ν_в-ва – количество растворенного вещества в растворе, моль; V_р-ра – объем раствора, л.

Нормальная концентрация (нормальность, эквивалентная концентрация) – величина, показывающая, сколько эквивалентов растворенного вещества содержится в 1 литре раствора:

    (экв/л),

где n_в-ва – количество растворенного вещества в растворе, экв; V_р-ра – объем раствора, л.

Довольно часто химический эквивалент трактуется не как единица количества вещества, а как условная частица. Тогда n_в-ва необходимо воспринимать как количество моль эквивалента.

Моляльная концентрация (моляльность) – величина, показывающая, сколько молей растворенного вещества в растворе приходится на 1 кг растворителя:

(моль/кг)

где ν_в-ва – количество растворенного вещества в растворе, моль; m_р-ля – масса растворителя в растворе, кг.

Титр – величина, показывающая, какая масса растворенного вещества содержится в 1 мл раствора:

(г/мл)

где m_в-ва – масса растворенного вещества в растворе, г; V_р-ра – объем раствора, мл.

Мольная доля вещества в растворе представляет собой отношение числа молей этого вещества к суммарному количеству молей всех компонентов раствора:

   ,

где  ν_в-ва – число молей компонента, для которого определяется мольная доля; n – количество компонентов раствора.

Процентная и моляльная концентрации относятся к весовым количествам раствора, а молярная, нормальная и титр – к объемным. Поэтому для перехода от одного вида выражения концентраций к другому нужно знать относительную плотность раствора.

Пример

Рассчитайте молярность и нормальность 70%-ного раствора H₂SO₄ (ρ = 1,615 г/мл).

Решение

Для вычисления молярности и нормальности надо знать число граммов H₂SO₄ в 1 л раствора.

70% - ный раствор H₂SO₄ содержит 70 г H₂SO₄ в 100 г раствора. Это весовое количество раствора занимает объём V = 100 / 1,615 = 61,92 мл. Следовательно, в 1 л раствора содержится 70 • 1000 / 61,92 = 1130,49 г H₂SO₄. Отсюда молярность данного раствора равна: 1130,49 / М _(H2SO4) =1130,49 / 98 =11,53 M.

Нормальность этого раствора (считая, что кислота используется в реакции в качестве двухосновной) равна 1130,49 / 49 =23,06 H.