Змістовний модуль 4. Розчини. Дисоціація і комплексоутворення

Тема 1. Дисперсні системи. Властивості розчинів. Класифікація та основні характеристики дисперсних систем. Способи вираження концентрації розчинів. Фізичні властивості розчинів. Закони Рауля.

Дисперсні системи (лат. dispersio — розсіювання + грец. systema — комплекс, або організоване ціле) — гетерогенна система, що складається із безперервного рідкого, твердого або газоподібного середовища (дисперсійне середовище), в якому розподілена велика кількість малих частинок однієї або декількох речовин і дисперсної фази. Іншими словами Д.с. — це взаємопов’язані або взаємозалежні частки (дисперсійне середовище та дисперсна фаза), які разом виконують спільну функцію, задачу, яку неможна досягти лише однією із них.

Головними ознаками Д.с. є висока роздрібненість (дисперсність) та гетерогенність. Вони мають особливі характерні властивості: підвищену хімічну і біологічну активність; адсорбційну здатність; надлишок вільної енергії, що зумовлює їх термодинамічну нестійкість. У Д.с. легко відбуваються процеси, які знижують вільну енергію, а саме адсорбція, коагуляція (злипання дисперсних частинок), утворення макроструктур та ін.

Різноманітні Д.с. широко розповсюджені у природі і часто відзначаються в різних галузях промисловості та сільського господарства. Складові частини Землі та її атмосфери, рослинні та тваринні організми і продукти їх життєдіяльності — це Д.с. Утворення і руйнування Д.с. відіграє вирішальну роль у генезисі землі, розвитку живих організмів, в одержанні речовин та продуктів їх перероблення. Тверді матеріали сучасної техніки (метали і сплави, бетон, матеріали на основі полі­мерів), як і природні (дерево, шкіра, рослинні і тваринні волокна і тканини на їх основі) є твердими Д.с. (дисперсними структурами). У фармації як лікарські форми використовують емульсії, мазі, піни, порошки та ін.

Д.с. класифікують за різними ознаками: за дисперсністю, агрегатним станом, структурою, міжфазною взаємодією, формою частинок. За дисперсністю (подрібненістю) Д.с. розділяють на колоїдно-дисперсні або ультрамікрогетерогенні (а=10^–9–10^–7 м), мікрогетерогенні (а=10^–7–10^–4 м), грубодисперсні (а>10^–4 м), де а — поперечний розмір частинок дисперсної фази, що визначається величиною діаметра d для сферичних частинок або довжиною ребра l — для кубічних частинок. Характеристиками дисперсності є також ступінь дисперсності D — величина, обернена поперечному розміру частинок м^–1, і питома поверхня S_пит. Питому поверхню обчислюють як відношення міжфазної поверхні S до об’єму дисперсної фази V: S_пит=S/V, м^–1.

Розміри питомої поверхні та ступеня дисперсності збігаються, що вказує на їх прямо пропорційну залежність S_пит=KD=K, де K — кое­фіцієнт пропорційності, який залежить від форми частинок. Усі три характеристики пов’язані між собою: зі зменшенням розмірів частинок збільшується ступінь дисперсності та питома поверхня. Дисперсність впливає на усі основні характеристики Д.с.: оптичні, кінетичні, каталітичні тощо. Мікрогетерогенні та грубодисперсні системи непрозорі, відбивають світло, частинки дисперсної фази не проходять крізь паперові фільтри, не дифундують, відносно швидко осідають (або спливають), тобто седиментаційно і агрегативно нестійкі, старіють із часом, їх можна побачити у звичайний мікроскоп. Ультрамікрогетерогенні Д.с. прозорі, опалесціюючі — розсіюють світло, утворюють конус Тиндаля. Частинки дисперсної фази проходять крізь звичайні фільтри, але затримуються ультрафільтрами (колодій, целофан та ін.). Відносно стійкі седиментаційно, оскільки для них характерний інтенсивний броунівський рух і дифузія, старіють із часом. Частинки дисперсної фази можна бачити в електронний мікроскоп і виявляти за допомогою ультрамікроскопа (таблиця).

Таблиця. Розподіл дисперсних систем за агрегатним станом

Дисперсна фаза	Диспер­сійне середовище	Позна­чення системи	Приклади
Газ	Газ	Г/Г	Атмосфера Землі
Рідина	Газ	Р/Г	Аерозолі рідких фармацевтичних речовин, туман, хмари
Тверде тіло	Газ	Т/Г	Аерозолі твердих фармацевтичних речовин, порошки, пил, дим
Газ	Рідина	Г/Р	Піни, газові емульсії
Рідина	Рідина	Р/Р	Емульсії (молоко, фармацевтичні емульсії)
Тверде тіло	Рідина	Т/Р	Суспензії, ліозолі
Газ	Тверде тіло	Г/Т	Тверді піни, пемза, силікагель
Рідина	Тверде тіло	Р/Т	Гелі, перли, капілярні системи
Тверде тіло	Тверде тіло	Т/Т	Кольорове скло, мінерали, сплави

Примітка: Т/Г, Р/Г — аерозолі; Т/Р — ліозолі; Т/Т — тверді золі.

Система Г/Г гомогенна, але флуктуації густини, що виникають при тепловому русі молекул, незважаючи на короткий час життя, є гетерогенними утвореннями з властивостями дисперсної фази. Тому газові суміші можуть виявляти окремі властивості Д.с. Д.с. колоїдного ступеня дисперсності називають золями, де системи Т/Г, Р/Г — аерозолі; Т/Р — ліозолі; Т/Т — тверді золі.

За структурою Д.с. розподіляють на два класи: вільнодисперсні та зв’язнодисперсні. До вільнодисперсних належать безструктурні системи (суспензії, емульсії, аеро- та ліозолі), в яких частинки дисперсної фази не зв’язані в одну суцільну мережу і здатні незалежно переміщатися в дисперсійному середовищі під впливом броунівського руху або сили тяжіння. У зв’язнодисперсних системах частинки утворюють просторову структуру, тому вони не можуть вільно переміщатися. До таких систем належать гелі, капілярно-пористі тіла або діафрагми, а також плівко-чарункові Д.с. — піни та висококонцентровані емульсії. Зв’язнодисперсні системи мають деякі властивості твердих тіл — здатність зберігати форму, міцність, пружність, еластичність.

За інтенсивністю молекулярної взаємодії фаз Д.с. позділяють на ліофільні (грец. lyo — розчиняю + phileo — люблю) і ліофобні (грец. phobos — страх).

Ліофільні Д.с. характеризуються інтенсивною молекулярною взаємодією між фазами, великою взаємною розчинністю речовин, що утво­рюють ці фази внаслідок їх невеликої різниці у молекулярній природі (полярності). Питома вільна поверхнева енергія на межі поділу фаз у ліофільних системах дуже мала, хоча і не дорівнює нулю. Тому вони утворюються довільно у вигляді двофазних систем і мають колоїдний ступінь дисперсності. Сухий залишок системи здатний спонтанно диспергувати в дисперсійному середовищі, утворюючи ліофільну систему. До ліофільних Д.с. належать емульсії, що утворюються при критичних температурах розчинення обмежено розчинних рідин або при будь-якій температурі при наявності великої кількості ПАР (емульгаторів), напр. емульсії мінеральних масел з великою кількістю мила, карбонових кислот або сульфокислот, що є іоноогенними колоїдними ПАР. Вони широко застосовуються як мастильно-охолоджувальні рідини при обробці металів, як замаслювачі та ін. Ліофобні Д.с. характеризуються слабкою молекулярною взаємодією між фазами внаслідок великої різниці в полярності речовин, що їх утворюють. Питома вільна поверхнева енергія на межі поділу фаз велика, що зумовлює термодинамічну нестійкість ліофобних систем, до яких належать золі металів, галогенідів срібла, сульфіду арсену, тобто типові колоїдні розчини з чітко вираженою гетерогенністю і високою дисперсністю.

За формою частинок дисперсної фази (топо­графічна ознака) розрізняють корпускулярні, ламінарні (плівкові), фібрилярні (волокнисті) системи. У корпускулярних системах, де частинки мають незначні розміри у трьох вимірах, їх геометрична форма може бути як правильною (сферою, кубом), так і неправильною (подовженою, пластинчастою, голчастою, зіркоподібною тощо). Частинки неправильної геометричної форми характеризуються еквівалентним розміром, як такий використовуються діаметр або радіус сферичної частинки, еквівалентної певній частинці за такими властивостями, як об’єм, поверхня, швидкість осідання та ін. У ламінарних (плівкових) системах частинки дисперсної фази за формою можуть бути окремими листками або лускою, маючи за двома вимірами великі розміри (довжину і ширину) і дуже малу товщину.

У фібрилярних (волокнистих) системах частинки дисперсної фази — нитки (волокна) будь-якої довжини, але малої товщини. У ламінарних і фібрилярних системах та системах з різко анізодіаметричними частинками дисперс­ність дисперсної фази будь-якої маси (об’єму) не залежить від того, чи складається дисперсна фаза з великої кількості таких частинок, чи з однієї тонкої плівки або нитки, які в цьому випадку слід розглядати як своєрідні Д.с., питома поверхня яких обернено пропорційна товщині плівки або нитки.

Способи вираження концентрації розчинів

Найчастіше використовують наступні способи вираження вмісту розчиненої речовини в розчині:

Процентна концентрація: 100%. Показує число г речовини в 100 г. розчину. В частках розчиненої речовини в розчині: масова частка  = ; об'ємна частка  = ; мольна частка N =  (n₁ - кількість моль розчиненої речовини, n₂ - кількість моль розчинника).

Молярна концентрація С_М =  (моль/л). Показує число моль розчиненої речовини в 1 л розчину. Часто для позначення молярної концентрації розчину використовують літеру М. Наприклад, 0,1 М розчин H₂SO₄ означає, що в 1 л розчину є 0,1 моль H₂SO₄, що відповідає 9,8 г H₂SO₄.

Нормальна концентрація С_N =  (екв/л). Показує число еквівалентів розчиненої речовини в 1 л розчину. Часто для позначення нормальної концентрації розчину використовують літеру н. Наприклад, 0,1 н розчин H₂SO₄ означає, що в 1 л розчину міститься 0,1 еквівалента H₂SO₄, що відповідає 4,9 г H₂SO₄. Розчинені речовини взаємодіють між собою в об'ємних співвідношеннях, обернено пропорційних їх нормальній концентрації: або V₁С_N1=V₂С_N2 (наслідок із закону еквівалентів, згідно з яким речовини взаємодіють між собою в кількостях, пропорційних їх еквівалентам). Особливістю еквінормальних розчинів є те, що їх рівні об'єми взаємодіють без залишку.

Моляльна концентрація (m) - кількість моль розчиненої речовини в 1 кг розчинника.

Титр (Т) визначається кількістю грамів розчиненої речовини в 1 мл розчину.