Тема 5. Растворы. Дисперсные системы

Растворы имеют важное практическое значение в жизни человека. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь), процессы усвоения пищи связанны с переводом питательных веществ в раствор. Производства, в основе которых лежат химические процессы, обычно связаны с использованием растворов.

Раствором называется твердая, жидкая или газообразная гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, количества которых могут изменяться в широких пределах.

Каждый раствор состоит из растворенного вещества и растворителя.

Растворителем считают компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (в случае водного раствора соли растворителем является вода). Если оба компонента в одинаковом агрегатном состоянии (спирт и вода), то растворителем является компонент, взятый в большем количестве.

Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав раствора может меняться в широких пределах, а также в свойствах раствора можно обнаружить многие свойства его отдельных компонентов, чего не наблюдается в случае химических соединений.

От механических смесей они отличаются своей однородностью.

Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.

5.1. Общие свойства растворов

Общими являются свойства растворов, которые зависят от концентрации и практически не зависят от природы растворенных веществ. Такие свойства могут проявляться в полной мере в идеальных растворах. Идеальным называют раствор, в котором не происходят химические реакции между компонентами, а силы межмолекулярного взаимодействия между компонентами одинаковы. Соответственно, образование этих растворов не сопровождается тепловым эффектом (ΔН =0) и каждый компонент ведет себя в растворе независимо от других компонентов. К идеальным растворам по своим свойствам приближаются лишь очень разбавленные растворы, т.е. растворы с очень низкой концентрацией растворенного вещества. К общим свойствам растворов относятся понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором и температуры замерзания, повышение температуры кипения и осмотическое давление. Эти свойства проявляются в случае растворов нелетучих растворенных веществ, т.е. веществ, давлением паров которых можно пренебречь.

Закон Рауля. Молекулы нелетучего растворенного компонента раствора препятствуют улетучиванию из раствора молекул растворителя. Французский ученый Р. Рауль открыл закон, согласно которому понижение давления насыщенного пара растворителя А над раствором Δр_А пропорционально молярной доле растворенного нелетучего вещества х_В:

р⁰_А – р_А = Δр_А = р⁰_Ах_В,

где р⁰_А, р_А – давления насыщенного пара растворителя соответственно над чистым растворителем и над раствором; Δр_А – разность между давлениями насыщенного пара растворителя над раствором, р_А и растворителем р⁰_А. Т.е. с увеличением содержания нелетучего растворенного компонента давление пара растворителя над раствором уменьшается.

Из закона Рауля возникают два следствия. Согласно одному из них температура кипения раствора выше температуры кипения растворителя. Это обусловлено тем, давление насыщенного пара растворителя над раствором становится равным атмосферному давлению (условие кипения жидкости) при более высокой температуре, чем в случае чистого растворителя. Повышение температуры кипения ΔТ_кип пропорционально моляльности раствора с_т

ΔТ_кип = К_эс_т,

где К_э – эбулиоскопическая постоянная растворителя.

Согласно второму следствию из закона Рауля температура замерзания (кристаллизации) раствора ниже температуры замерзания (кристаллизации) чистого растворителя. Это обусловлено более низким давлением пара растворителя над раствором, чем над растворителем. Понижение температуры замерзания (кристаллизации)

ΔТ_зам = К_кс_т,

где К_к – криоскопическая постоянная.

Значения К_э и К_к зависят от природы растворителя.

Используя ΔТ_кип и ΔТ_зам, можно определить молярную массу вещества. Для этого экспериментально определяют повышение температуры кипения или замерзания раствора. Если известна масса растворенного вещества т_В и растворителя т_А, то молярную массу растворенного вещества М_В определяют по уравнению

М_В = ,

Где К ≡К_э либо К ≡К_к.

Осмотическое давление. Самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую раствор и растворитель или два раствора с различной концентрацией растворенного вещества, называется осмосом. Осмос обусловлен диффузией молекул растворителя через полупроницаемую перегородку, которая пропускает только молекулы растворителя.

Рис.5.1. Схема осмометра: 1 - вода; 2 - раствор; 3 - полупроницаемая мембрана

Молекулы растворителя диффундируют из растворителя в раствор или из менее концентрированного раствора в более концентрированный, поэтому концентрированный раствор разбавляется, при этом увеличивается и высота его столба (рис. 5.1.) Количественно осмос характеризуется осмотическим давлением, равным силе, приходящейся на единицу площади поверхности, и заставляющей молекулы растворителя проникать через полупроницаемую перегородку. Оно равно давлению столба раствора в осмометре высотой h. При равновесии внешнее давление уравновешивает осмотическое давление.

Осмотическое давление возрастает с увеличением концентрации растворенного вещества и температуры. Вант-Гофф предположил, что для осмотического давления можно применить уравнение состояния идеального газа

πV = nRT или π = ,

откуда π =cRT,

где π – осмотическое давление; с – молярная концентрация раствора.

Осмос играет очень важную роль в биологических процессах, обеспечивая поступление воды в клетки и другие структуры. Растворы с одинаковым осмотическим давлением называются изотоническими. Если осмотическое давление выше внутриклеточного, то оно называется гипертоническим, если ниже внутриклеточного – гипотоническим. Например, среднее осмотическое давление крови при 36 ˚С равно 780 кПа.

Гипертонические растворы сахара (сироп) и соли (рассол) широко применяются для консервирования продуктов, так как вызывают удаление воды из микроорганизмов.

Активность. Законы Вант-Гоффа и Рауля строго выполняются только в случае бесконечно разбавленных растворов. При увеличении концентрации рас­твора начинает все больше сказываться взаимодействие частиц раство­ренного вещества друг с другом и его свойства все больше отклоняются от идеальности. Эти сложные по природе взаимодействия учитывают, заменяя концентрацию компонента с его активностью а:

а = γс,

где γ - коэффициент активности, который формально учитывает все виды взаимодействия частиц в данном растворе, приводящие к отклонению от свойств идеального раствора.

Коэффициент активности вычисляют по экспериментальным данным. Для этого какое-либо из свойств раствора (например, температуру кипения или замерзания) и определяют коэффициент активности как частное от деления экспериментально полученной величины на теоретически рассчитанную по законам идеальных растворов.