1.3. Учение о растворах

В зависимости от размера частиц и однородности растворы делятся на истинные (однородные гомогенные системы с размером частиц на уровне 10^-10 – 10^-9 м) и коллоидные (неоднород­ные гетерогенные системы с размером частиц 10^-9 — 10^-6 м). Истинным раствором называется термодинамически устойчивая гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов, между кото­рыми существуют достаточно сильные взаимодействия. Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято называть растворителем, а другой компонент — растворенным веществом. При одинаковом агрегатном состоянии компонентов растворителем считают обычно то вещество, которое преобладает в растворе. Растворимость вещества равна максимальному количеству этого вещества, способному раствориться в данном растворителе при определенной температуре и давлении.

Роль воды в жизнедеятельности организмов связана с рядом уникальных ее свойств, благодаря которым вода является средой, растворителем и метаболитом для живых организмов. Вследствие высокой теплоемкости (75,3 Дж/моль • К) и большой теплоты испарения (40,8 кДж/моль) вода обеспечивает термостатирование нашего организма. Высокая диэлектрическая проницаемость воды (е = 78,5) способствует растворению и диссоциации на ионы, что обуславливает высокие скорости протекания биохимических реакций, быструю миграцию ионов через биологические мембраны и практически мгновенную передачу нервных импульсов.

Д.И. Менделеев доказал, что процесс растворения представляет собой физико-химическое явление. При растворении происходит диффузия растворенного вещества в растворителе, сопровождаемая образованием химических связей при гидратации (сольватации). Доказательством протекания химического взаимодействия является изменение окраски и тепловые эффекты, наблюдаемые при растворении.

С термодинамической точки зрения процесс растворения возможен, если свободная энергия Гиббса ∆G = ∆H – Т∆S < 0. При растворении твердых веществ с молекулярной кри­сталлической решеткой или жидкостей, где межмолекулярные связи не очень прочные ∆G < 0, т. к. ∆H < 0, a энтропия ∆S > 0. Для веществ с ионной кристаллической решеткой ∆H может быть как отрицательным (CaCl₂), так и положительным (NH₄NO₃), а изменение энтропии - положительно.

1.3.1.Растворимость газов

Для газов – ∆H < 0, ∆S < 0, поэтому с понижением температуры растворимость газов возрастает.

Закон Генри: при равновесии количество газа, растворенного в определенном объеме жидкости с(Х), прямо пропорционально давлению газа Р(Х) над раствором:

с(Х)= К_г(Х) · Р(Х),

где К_г – константа Генри, моль/м·Па, зависящая от природы газа и растворителя, температуры.

Закон Генри применим для разбавленных растворов, при невысоких температурах, при условии отсутствия химического взаимодействия растворенного вещества и растворителя и является частным случаем закона Генри – Дальтона: растворимость каждого из компонентов газовой смеси при постоянной температуре пропорциональна парциальному давлению компонента над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и других компонентов:

Р_i=Р_общ · Х(Хi),

где Х(Хi)- мольная доля i –компонента.

Закон И.М. Сеченова: в присутствии электролитов растворимость газа понижается, происходит высаливание растворов:

с(Х)= с_о (Х) е ^-КсСэ,

где с(Х) – растворимость газа в присутствии электролита, с_о(Х) – растворимость газа в чистом растворителе, с_э – концентрация электролита, К_с – константа Сеченова, зависящая от природы газа, электролита и температуры.