Модуль 4 Розчини. Теорія електролітичної дисоціації

Розчини мають надзвичайно важливе значення в різноманітних хімічних процесах, що обумовлюють життєдіяльність живих організмів та безліч природних явищ. Усі важливі фізіологічні рідини є розчинами.

Під час технологічних процесів на харчових виробництвах використовуються різні розчини: сировина, компоненти рецептур, охолоджувальні рідини, сангігієнічні та мийні засоби тощо. Тому технологам необхідно на молекулярному рівні розуміти процеси, що відбуваються під час розчинення речовин, знати ефекти, що супроводжують його, фактори, які впливають на швидкість та повноту цього процесу, а також навчитися легко оперувати поняттями, здійснювати розрахунки та готувати розчини різного складу та концентрації.

4.1. Основні поняття про розчини

4.1.1. Термінологія, що використовується в теорії розчинів

Розчин – це гомогенна система, яка складається з двох або більше компонентів: розчинника, речовини та продуктів їх взаємодії.

Зазвичай розчинником називають компонент, який знаходиться в тому самому стані, що й добутий розчин. Наприклад, у разі розчинення цукру або солі у воді незалежно від кількості цих речовин розчинником є вода. Якщо обидва компоненти до розчинення перебували в однаковому агрегатному стані (наприклад, спирт і вода), то розчинником вважають компонент, об’єм якого більший. Гомогенність розчинів пояснюється тим, що під час їх утворення внаслідок взаємодії з розчинником розчинена речовина подрібнюється до молекул або іонів, які не можуть утворити самостійну фазу.

Стійкість розчинів визначається розміром розподілених частинок. Розрізняють такі розчини: істинні (розміри утворених частинок не перевищують 10⁻⁹ м); колоїдні (частинки мають розмір від 10⁻⁹ м до 10⁻⁷ м); грубодисперсні (частинки більше ніж 10⁻⁷ м). Прикладом нестійких систем є суспензії (тверда речовина розчинена в рідині) та емульсії (рідка речовина розчинена в рідині). Ці системи гетерогенні, вони мають розмір частинок від 10⁻⁷ м до 10⁻⁵ м. За рахунок сил гравітації розподілені частинки з часом осідають на дно посуду або спливають на поверхню. Колоїдні системи є стійкішими.

Розчини бувають рідкими, твердими та газоподібними. Наприклад, рідкі – розчини солей, цукру, спирту, оцту тощо у воді; тверді – розчини одного або кількох металів у іншому (сплави); газоподібні – суміші газів, повітря.

Щоб з’ясувати відмінності між розчинами та механічними сумішами наведемо деякі їх характеристики (табл. 9).

Як бачимо, розчинам притаманні властивості як хімічних речовин, так і механічних сумішей. Істинні розчини займають проміжне положення між хімічними сполуками та механічними сумішами. Однорідність, наявність теплових ефектів (екзо- та ендотермічних) під час утворення розчинів підтверджують хімічну взаємодію між їх компонентами. Але склад розчинів не сталий і може змінюватись у широкому діапазоні, як і склад сумішей. Змінними є фізичні константи розчинів: густина, температура кипіння, кристалізації тощо. У зв’язку з цим сучасна теорія розчинів є фізико-хімічною та розглядає розчинення як сукупність таких процесів:

1. сольватації – взаємодії розчинника з частками розчиненої речовини;

2. іонізації – руйнування структури розчиненої речовини;

3. дифузії – розподілу сольватованих частинок у об’ємі розчину.

Таблиця 9. Властивості механічних сумішей, розчинів та хімічних сполук

Система	Склад	Наявність теплового ефекту під час розчинення	Можливість виділення компонентів фізичними методами
Механічна суміш	Змінний	Немає	Є
Розчин	Змінний	Є	Є
Хімічна сполука	Незмінний	Є	Немає

Насичені та ненасичені розчини. Є розчини, які змішуються в будь-яких співвідношеннях, наприклад вода та спирт. Тверді речовини, більшість газів і рідких речовин розчиняються у воді в певних співвідношеннях.

Розчин, у якому речовина більше не розчиняється за певної температури, називається насиченим. Розчин, у якому речовина ще може розчинятися за даних умов, називається ненасиченим. Ці поняття не пов’язані з поняттями «концентрований» та «розведений» розчин, оскільки існує достатня кількість малорозчинних речовин (Ca(OH)₂), насичені розчини яких мають низьку концентрацію розчиненої речовини.

Насиченість розчину – це міра розчинності речовини. Під розчинністю розуміють здатність речовини, змішуючись з іншою речовиною, утворювати гомогенні системи. Зазвичай розчинність твердих та рідких речовин виражають масою речовини, яка може розчинитись у 100 г розчиннику за певної температури. Розчинність газів визначають об’ємом газу, який може розчинитись у 1 л розчинника за певної температури. При цьому застосовують кількісний показник – коефіцієнт розчинності. Наприклад, при 18ºС у 100 г води розчиняється 35,9 г натрій хлориду. Це означає, що за таких умов коефіцієнт розчинності названої сполуки дорівнюватиме 35,9.

Розчинність залежить від природи речовини та розчинника. Існує таке емпіричне правило: подібне розчиняється в подібному. Його можна пояснити з позиції природи хімічного зв’язку. Як правило, іонні сполуки (солі, луги) або речовини, молекули яких є полярними, добре розчиняються в полярних розчинниках. Найкращим із полярних розчинників є вода.

Речовини молекулярної неполярної будови добре розчиняються в неполярних або малополярних розчинниках, погано – у воді (наприклад, деякі барвники органічної природи добре розчиняються у спирті й не розчиняються у воді, вилучення корисних речовин із природної сировини здійснюється краще в разі настоювання на спирті тощо).

Розчинність більшості твердих речовин із підвищенням температури зростає. Взаємна розчинність рідин зростає із підвищенням температури до того часу, коли досягається температура, за якої рідини починають змішуватися в будь-яких пропорціях.

Розчинність газів зменшується з підвищенням температури. Прикладом може бути стакан із холодною водою, виставлений у тепло. Через деякий час на його стінках з’являються бульбашки газу. Це означає, що розчинність газу зменшилась, і він почав виділятися.

Розчинність газів зростає зі збільшенням тиску і навпаки. Наприклад, для створення газованих напоїв рідини наповнюють карбон діоксидом під тиском. Коли пляшку з напоєм відкривають, тиск у ній знижується, розчинність газу зменшується і він починає виділятися з розчину – утворюється піна.