7. Растворимость. Пр. Тэд

Любое чистое вещество стремится к состоянию раствора.

1. Общая характеристика растворов

Если частицы одного вещества равномерно распределены между частицами другого, то такая система называется дисперсной (от лат. «dispergare» - рассеивать, раздроблять). В зависимости от диаметра d частиц различают взвеси (d > 10⁻⁷ м), коллоидные растворы (d = 10⁻⁷ −10⁻⁹ м) и истинные растворы. В последнем случае частицами являются молекулы, атомы или ионы вещества. Причем система должна быть равновесной, т.е. должна достигнуть при данных значениях температуры и давления минимума свободной энергии (G) в результате всех взаимодействий частиц системы.

Итак, истинный раствор – это равновесная однофазная система, состав которой можно плавно менять в определенных пределах.

Раствор состоит из двух или более компонентов, один из которых является растворителем, а остальные – растворенными веществами. Обычно растворителем считают тот компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. При одинаковых агрегатных состояниях растворителем считают вещество, содержание которого в растворе наибольшее.

В зависимости от фазовых сочетаний исходных компонентов различают семь основных типов истинных растворов:

а) твердое вещество в жидкости (пример – растворы солей в воде);

б) жидкость в жидкости (раствор спирта в воде);

в) газ в жидкости (раствор кислорода в воде);

г) твердое вещество в твердом (сплав золота и серебра);

д) жидкость в твердом (влажные соли);

е) газ в твердом (водород в платине);

ж) газ в газе (воздух);

з) жидкость в газе (влага);

и) твердое в газе (I₂ в воздухе).

Остановимся на жидких растворах, в которых удобнее и эффективнее (чем в газообразных или твердых системах веществ) можно осуществлять большинство химических процессов. Это объясняется тем, что растворитель влияет на ход химической реакции не только как среда, но часто и как активный химический реагент. А эти влияния значительнее в конденсированной фазе из-за более сильного (чем в газах) межчастичного взаимодействия.

Кроме того, в жидких растворах равновесие достигается намного быстрее, чем при взаимодействии веществ в твердом и даже (иногда) чем в газообразном состоянии за счет снижения энергии активации реакции (растворитель часто выполняет роль катализатора – сольвато-кинетический эффект).

Из жидких растворов наиболее изучены и широко используются на практике водные растворы, т.к. вода – наиболее дешевый и доступный растворитель. Кроме того, вода вследствие большой величины дипольного момента ее молекул имеет высокое значение диэлектрической проницаемости (ε = 78,5 ), поэтому влияние воды как растворителя на ход химической реакции особенно значительно.

2. Растворимость

Суть процесса растворения заключается в том, что происходит разрыв связей между частицами (молекулами, ионами или атомами) в каждом из исходных компонентов, и образование новых межкомпонентных связей в растворе. И поскольку осуществляется не только переход вещества в раствор, но и обратный процесс, то с течением времени в системе наступает динамическое равновесие, характеризуемое равенством скоростей прямого и обратного процессов.

Раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, является насыщенным, а концентрация раствора, насыщенного по данному веществу, называется его растворимостью (s). В справочниках значение s (при данной температуре) приводится в граммах растворенного вещества, приходящихся на 100 г растворителя или раствора. (Тогда можно не учитывать зависимость объема жидкости от температуры, что необходимо при использовании, например, молярной концентрации).

Очевидно, растворимость зависит от соотношения прочности связей между частицами в исходных компонентах и связей в продуктах процесса растворения. На основании этого легко объяснить древнее правило «подобное растворяется в подобном». Например, вода потому мало растворима в бензоле, что суммарная прочность водородных связей между молекулами воды и ММС в чистом бензоле гораздо больше, чем прочность связей между молекулами воды и бензола при их смешении.

Если же связи в растворе и в исходных компонентах соизмеримы по прочности (подобны), как, например, в системе «бензол-гексан» или «вода-пероксид водорода», то вещества, как правило, хорошо растворяются друг в друге (за счет роста энтропии системы).