§ 14. Общие сведения

 

Учение о растворах — важнейшая глава физической химии. По агрегатному состоянию растворы бывают га­зообразными (воздух), жидкими и твердыми (сплавы металлов), Особое значение имеют водные растворы, так как подавляющее большинство химических реакций и процессов в природе совершается в водной среде. Все природные воды (морская, речная, воды минеральных источники) представляют собой в основном растворы со­лей кровь, лимфа в высокоорганизованных организмах, (соки растительных организмов содержат многие органи­ческие и неорганические вещества в растворенном состоянии (Следовательно, растворы — наиболее распространенные системы в природе и различных производствах.

Растворами называются гомогенные (однофазные) системы, состоящие из растворенных веществ, растворителей и продуктов их взаимодействия, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах.       Растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и индивидуальными химическими соединениями. Подобно химическим соединениям, они обладают одним и тем же химическим составом и одинаковыми физическими свойствами для всего объема раствора. Подобно механическим смесям, растворы имеют переменный состав и не подчиняются закону кратных отношений.

Наряду с температурой и давлением важной характеристикой любого раствора является концентрация, которая покалывает, в каком соотношении (массовом или объемном) взяты растворитель и растворенное вещество. Существуют различные способы выражения концентраций растворов.

Растворы могут быть разбавленные и концентрированные. В разбавленных растворах содержится малое количество, а в концентрированных — большое количество растворенного вещества по сравнению с количеством растворителя.

  Концентрацию растворов выражают:

а) в процентах, т. е. количеством граммов растворенного вещества в 100 г раствора; процентную концентрацию можно рассчитать по формуле

 

 

где m — масса растворенного вещества; m₁  — масса раст­вора; С_% —процентная концентрация.

Для перехода от массы раствора к его объему пользуются зависимостью

 

,                             (V.1)

 

где V — объем раствора, мл; р — его плотность, г/см³;

б)         нормальностью, т. е. числом эквивалентов раство­ренного вещества в литре раствора;  нормальность рассчитывается по формуле

 

,                  (V. 2)

 

где С_н — нормальность раствора; m — масса растворенного, вещества; Э - эквивалентная масса растворенного вещества; V —объем раствора, мл;

в)         молярностью   (С_м  или M) т. е.  числом  молей растворенного вещества в литре раствора; молярная концентрация рассчитывается по формуле   

 

(V. 3)

 

где С_м — молярность раствора; n — число молей растворенного вещества; V — объем раствора.

 

§ 15. Механизм растворения

 

Растворение вещества  сопровождается  изменением свойств растворителя и   растворяемого   вещества.   Это обусловлено тем, что в растворе происходит взаимодействие частиц растворяемого вещества с растворителем. Растворение часто сопровождается выделением или поглощением тепла, а также уменьшением или увеличением объема раствора. Все это указывает на то, что процесс растворения является сложным физико-химическим процессом.

Д. И. Менделеев установил, что при растворении протекают два одновременных процесса: физический — равномерное распределение частиц растворяемого вещества по всему объему раствора, и химический — взаимодейст­вие растворителя с растворяемым веществом. Д. И. Менделеев  создал  гидратную  теорию растворов,  согласно которой между частицами растворенного вещества и молекулами воды образуются химические соединения, на­зываемые гидратами, а сам процесс назвал гидратацией. В случае неводного растворителя такие соединения называют сольватами, а процесс — сольватацией.

 

   Рассмотрим гидратацию  (сольватацию)  на примере растворения кристалла поваренной соли (рис. 18). Диполи воды ориентируются вокруг ионов хлора и натрия, т.е. происходит гидратация ионов. Между ионами Na+ и С1- и полярными молекулами воды возникает ионно-дипольная связь. Она оказывается прочнее, чем межионные связи в молекулах поваренной соли. В результате этого процесса связь между ионами, расположенными на поверхности кристалла NaCl, ослабляется, ионы натрия и хлора отрываются от кристалла, а молекулы воды образуют вокруг них так называемые гидратные оболочки. Отделившиеся гидратированные ионы под влиянием теплового движения равномерно распределяются между молекулами растворителя.

Способность растворителя сольватировать (гидратировать) частицы растворяемого вещества зависит от полярности молекул растворителя: чем она выше, тем лучше идет процесс растворения.

Растворимость газов. Многие газы растворяются в жидкостях. Их растворимости зависит не только от при­роды газа и природы растворителя, но также от давления и температуры. Как правило, растворимость газов выше, если растворение сопровождается химическим взаи­модействием его с растворителем. Например, в одном объеме воды растворяется 748,7 объема аммиака, так как между молекулами NH₃ и H₂O образуется водородная связь:

 

NH₃ + H₂O ↔ H₃N ∙∙∙ H₂O (или NH₃∙H₂O)

 

В то же время в одном объеме воды растворяется всего 0,0139 объема инертного газа гелия.