Теория растворов

Раствором называется твердая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов. Наиболее распространенными являются жидкие растворы, когда одним из компонентов системы является жидкость, а из всех жидких растворов первостепенное значение имеют водные растворы.

Молекулярными (или истинными) называются однородные системы, в которых одно вещество равномерно распределено в другом и представляет собой единую фазу. Размер частиц (молекул или ионов) распределенного в воде вещества не превышает 10^-7 см. Молекулярные растворы обычно называют просто растворами. Несмотря на то, что какие-либо количественные соотношения между растворенным веществом и растворителем при их взаимодействии не соблюдается, растворы нельзя рассматривать просто как механические смеси. По некоторым признакам они близки к химическим соединениям. В частности, при растворении всегда поглощается или выделяется энергия (теплота растворения) и происходит изменение объема.

И тот и другой эффект, как правило, не велик, но в отдельных случаях становится заметным. Например, при смешивании спирта с водой наблюдается некоторое уменьшение объема, при растворении азотнокислого аммония жидкость сильно охлаждается, а при растворении гидроокиси калия – сильно нагревается.

Исследование растворов различными методами позволило установить наличие во многих из них сольватов (в водных растворах - гидратов), представляющих собой более или менее прочные соединения частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Образование сольватов иногда настолько изменяет свойства растворяемого вещества, что может быть обнаружено прямым наблюдением. Например, газообразный иод имеет фиолетовую окраску. Спиртовый раствор – коричневый. Изменение окраски указывает на наличие взаимодействия между молекулами иода и спирта с образованием сольватов.

Сольваты легче образуются и обладают большей устойчивостью при взаимодействии сильно полярных молекул растворенного вещества и растворителя. Так как из всех обычных растворителей наиболее полярными молекулами обладает вода, чаще всего приходится иметь дело с гидратами. Гидратная вода иногда настолько прочно связана с растворенным веществом, что при выделении его из раствора входит в состав его кристаллов. Такие кристаллические образования, содержащие в своем составе воду, называются кристаллогидратами. Вода, входящая в состав кристаллогидратов – кристаллизационной. Состав кристаллогидратов выражают, указывая при формуле вещества число молекул кристаллизационной воды, приходящейся на одну его молекулу. Например, формула кристаллогидрата сернокислой меди – медного купороса – СuSO₄ ∙ 5H₂O.

Процесс растворения тесно связан с диффузией. При внесении, например, в воду какого-либо твердого вещества молекулы его поверхностного слоя растворяются и в результате диффузии распределяются по всему объему растворителя. Затем с поверхности снимается новый слой молекул, которые в свою очередь распределяются во всем объеме и т.д. Растворение должно было бы продолжаться подобным образом до полного перехода в раствор любого количества твердого вещества, если бы одновременно не происходил обратный процесс – выделение молекул из раствора. Находящиеся в непрерывном движении растворенные молекулы при столкновении с поверхностью растворяемого вещества могут задержаться на ней и образовать новый слой. Такое обратное их выделение будет происходить тем в большей степени, чем выше концентрация раствора. В процессе растворения твердого вещества концентрация растворов постепенно возрастает. При этом она достигает такой величины, при которой в единицу времени выделяется столько же молекул, сколько растворяется. Раствор с такой равновесной концентрацией называется насыщенным. Равновесие в системе – растворяемое вещество – насыщенный раствор – динамическое. Такая система при постоянных внешних условиях может без видимых изменений существовать сколь угодно долго.

Всякий раствор, концентрация которого меньше концентрации насыщенного, является ненасыщенным. В противоположность насыщенному такой раствор может при неизменных внешних условиях растворить еще некоторое количество вещества.

Если содержание растворенного вещества в растворе больше, чем соответствует его нормальной растворимости при данных условиях, раствор называют пересыщенным. Пересыщенный раствор можно получить в результате охлаждения раствора, насыщенного при более высокой температуре. Такие растворы являются неустойчивыми системами, способными существовать только при отсутствии соприкасающейся с ним твердой фазы растворенного вещества. При внесении в раствор затравки в виде кристаллика растворенного вещества, весь избыток последнего тотчас же выпадает в осадок. Причина возможности существования пересыщенных растворов заключается в трудности первоначального возникновения центров кристаллизации. Для их возникновения необходимо, чтобы беспорядочно движущиеся частицы растворенного вещества сгруппировались в какой-то точке раствора именно в том порядке, какой характерен для данного кристалла. Подобная закономерность группировки для разных веществ осуществима с различной степенью легкости и в отдельных случаях может протекать очень медленно. При внесении затравки последняя является центром, от которого кристаллизация распространяется по всей массе раствора.

Кроме этих на практике используют понятия - концентрированный, разбавленный и крепкий растворы.