Глава 4. Растворы

Растворы – многокомпонентные фазы переменного состава. Определение формулирует три признака, три характеристики, которыми должна удовлетворять система, чтобы назвать ее раствором:

во-первых, многокомпонентность, т.е. должно быть не менее двух веществ – компонентов. Один из компонентов раствора (которого больше по количеству) принято называть растворителем; другие компоненты, присутствующие в меньших количествах, — растворенными веществами;

во-вторых, однородность или гомогенность. В любой точке раствор имеет одинаковый состав и свойства;

в-третьих, переменность состава раствора, т.е. можно менять в определенных пределах состав раствора и при этом не произойдет появления новой фазы. Обычно в качестве растворов рассматривают жидкие или твердые фазы переменного состава. Кроме того, есть растворы газов друг в друге, газа в жидкости, газа в твердом веществе.

Количественно состав раствора описывается концентрацией. Под концентрацией раствора понимается количество или масса растворенного вещества, содержащиеся в определенных массе или объеме раствора. Существуют различные способы выражения концентрации растворов.

1. Молярная концентрация вещества - С(В) - определяет количество вещества (моль) в 1 литре раствора.

С(В) = n(В)/V_р–ра .

Единицы измерения - моль/л или М. Раствор, содержащий 1 моль растворенного вещества в 1 литре раствора называют одномолярным раствором и обозначают 1 моль/л или 1 М

2. Молярная концентрация эквивалентов вещества -С_эк(В) - определяет количество вещества эквивалентов (моль-экв) в 1 литре раствора.

С_эк(В) = n_эк(В)/V_р–ра .

Единицы измерения - моль-экв/л. С_эк(В) = Z(В)^.С(В) , где Z(В) - эквивалентное число вещества В. Принято называть раствор, содержащий 1 моль эквивалентов вещества в 1 литре раствора одно-нормальным раствором и обозначать 1н или 1N). Нетрудно показать, что два раствора с различными молярными концентрациями эквивалентов реагируют между собой в объемах, обратно пропорциональных их концентрациям:

С_эк(1)V₁= C_эк(2)V₂ .

3. Моляльность С_m(B) – отношение количества растворенного вещества В - n(B) к массе растворителя (m_s) , выраженной в кг

С_m(B) = n(B)/m_s .

Единицы измерения - моль/кг.

4. Массовая доля – w(B) отношение массы растворенного вещества (или растворителя) к массе раствора:

w(B) = m(B)/m_р-ра = m(B) / ·V_p-ра ,

где  – плотность раствора (г/см³ или г/мл). Величина w(B) относительная и измеряется в процентах или в долях единицы. Иногда данный способ выражения концентрации называют "процентной концентрацией".

4. Молярная доля - X(В) – отношение количества растворенного вещества (в моль) к суммарному количеству вещества раствора (также в моль):

Х(B) = , где= n₁ + n₂ +n(B) + ...+ n_i

X(B) также величина относительная и измеряется в долях единицы или процентах. Естественно, что = 1 (100%).

Твердое вещество не может беспредельно растворяться в жидкостях, при достижении некоторой концентрации в заданных условиях (Р,Т) устанавливается равновесие:

В_{(т) }^ В_{(р -р)}

Равновесие это динамическое: непрерывно какая-то часть вещества растворяется и одновременно такая же часть вещества выделяется. Раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называется насыщенным, а концентрация насыщенного раствора растворимостью данного вещества (при данной температуре).

Раствор, в котором при данных температуре и давлении возможно дальнейшее растворение уже содержащегося в нем вещества, называется ненасыщенным.

Пересыщенный раствор (G>0)

С(В)С(В) >C(В)_нас

С_нас 

С_{ненасыщ}

Время

Раствор, в котором содержится растворенного вещества больше, чем в насыщенном растворе этого же вещества при тех же значениях температуры и давления называется пересыщенным. Такие растворы термодинамически неустойчивы (G>0) и стремятся стать насыщенными растворами, выделяя часть растворенного вещества в осадок. Однако, пересыщенные растворы могут оставаться без изменений в течение длительного времени.

Энергетика образования растворов .

Образование раствора происходит самопроизвольно, т.е. G < 0 и растворы – термодинамически устойчивые системы. Образование раствора представляет собой сложный процесс, часто сопровождающийся изменением объема и тепловыми эффектами Например, 1V(С₂Н₅ОН) + 1V(Н₂О) = 1,93 V (на 3,5% меньше, V<0). Известны примеры (гораздо в меньшем количестве, когда V>0).

Растворение вещества сопровождается также тепловым эффектом. При этом тепло может поглощаться (Н>0) и выделяться (H<0). Процесс растворения любого вещества предполагает:

1. Разрыв межмолекулярных и внутримолекулярных связей растворяемого вещества (Н_к>0);

2. Разрушение связей между молекулами растворителя (Н_р>0).

3. Образование новых связей между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя – сольватация (Н_c<0).

Суммарный тепловой эффект растворения выражается уравнением Фаянса: Н_раств.  = (Н_к + Н_р) + Н_с .

От соотношения составляющих зависит знак суммарного теплового эффекта.

Образование растворов сопровождается изменением энтропии. При растворении газов энтропия уменьшается (S<0). Растворение кристаллических веществ приводит к увеличению энтропии (S>0). Изменения энтропии при сольватации, как правило невелики.