§ 6.1. Характеристика розчинів та способи вираження їхнього складу

Розчинами називають гомогенні термодинамічно стійкі системи

змінного складу з двох і більшого числа компонентів.

Розчини бувають газоподібними, рідкими і твердими. Найбільше

практичне значення мають рідкі розчини, оскільки в них відбувається

більшість реакцій. Розчин складається з розчинених речовин і розчинника,

тобто середовища, в якому ці речовини рівномірно розподілені у вигляді

молекул або йонів.

Перші праці з визначення властивостей розчинів належать М.В.

Ломоносову. У теоретичних та практичних дослідженнях використовують

фізичну та хімічну теорії розчинів. Фізична теорія розчинів Арреніуса (1883 – 1887 р.) заснована на вивченні фізичних характеристик розчинів. Базовим положенням цієї теорії є те, що поведінку молекул речовини у розчинах слід розглядати як поведінку молекул ідеального газу. Хімічна теорія розчинів була розроблена Д.І. Менделєєвим. Цю теорію також називають сольватною теорією розчинів. Згідно цієї теорії, в процесі розчинення речовини відбувається хімічна взаємодія, яка супроводжується утворенням сольватів. Сольватація – це процес взаємодії розчиненої речовини з молекулами розчинника й утворення комплексних сполук – сольватів. Якщо розчинником є вода, процес взаємодії називається гідратацією, а аквакомплекси – кристалогідратами.

Наприклад процес розчинення речовин, що знаходяться в кристалічному стані можливо представити в двох стадіях:

1. Руйнування кристалічних ґрат речовини Н⁰_кр > 0,процес утворення молекул (ендотермічний).

2. Утворення сольватованих молекул, Н⁰_сольв < 0, процес екзотермічний.

Результуюча теплота розчинення Н⁰_{розчин.}дорівнює сумі теплот двох стадійН⁰_{розчин.} = Н⁰_кр + Н⁰_сольв і може бути як негативною, так і позитивною. Наприклад, енергія кристалічних ґратокKCl = 170 кКал/моль.

Теплота гідратації йонів К⁺= 81 кКал/моль, Cl= 84 кКал/моль, а результуюча енергія дорівнює 165 кКал/моль.

Теплота гідратації частково покриває енергію, необхідну для виділення йонів із кристалу. 170 - 165 = 5 кКал/моль, що залишилися можуть бути покриті за рахунок енергії теплового руху, і розчинення супроводжується поглинанням теплоти з навколишнього середовища. Гідрати, сольвати полегшують ендотермічний процес

дисоціації ,затруднюючи рекомбінацію.

А от ситуація, коли присутня лише одна з двох названих стадій:

1. Розчинення газів – немає першої стадії руйнування кристалічних ґраток, залишається екзотермічна сольватація, отже, розчинення газів, як правило, екзотермічне.

2. При розчиненні кристалогідратів відсутня стадія сольватації, залишається лише ендотермічне руйнування кристалічних ґраток. Наприклад, розчинення кристалогідрату:

CuSO₄5H₂O (т)CuSO₄5H₂O (р),Н_{розчин.}=Н_кр= + 11,7 кДж/моль (теплота поглинається). Для порівняння, розчинення безводної солі: CuSO₄(т)CuSO₄(р)CuSO₄5H₂O (р),Н_розч=Н_сольв+Н_кр= - 78,2 + 11,7 = - 66,5 кДж/моль.

Подальший розвиток теорія Арреніуса одержала в роботах Оствальда, Писаржевського, Каблукова, Нернста тощо. Наприклад, на важливе значення гідратації вперше указав Каблуков (1891), поклавши початок розвитку теорії розчинів у напрямку, що вказував Менделєєв (тобто йому вперше удалося об'єднати сольватну теорію Менделєєва з фізичною теорією Арреніуса).

Основним параметром стану розчину крім температури і тиску є його склад. Згідно з рекомендацією ІЮПАК склад розчину можно можно виразити як концентрацією, так і часткою розчиненої речовини.

Молярна концентрація (С_М) показує кількість розчиненої речовини (у молях) на літр:, моль/л, де-маса розчиненої речовини,- число молів розчиненої речовини,V-об’єм розчину.

Моляльна концентрація (С) показує кількість розчиненої речовини (у молях) на 1000г розчинника:,моль/кг, де-маса розчиненої речовини,- число молів розчиненої речовини,-маса розчинника.

Молярна концентрація еквівалента (С_Н) показує еквівалентну кількість розчиненої речовини (у молярних масах еквіваленту) на літр:,моль/л, де-маса розчиненої речовини,- молярна маса еквіваленту розчиненої речовини,V-об’єм розчину (приклад дивись на с.15).

Мольна частка розчиненої речовини:, де- число молів розчиненої речовини,- число молів розчинника. Склад розчину можна також виражати титром.

Титром називають кількість грамів розчиненої речовини, що міститься в 1 мл розчину.