0. 1.2. Основные представления о механизме растворения

Образование раствора из двух и более веществ является самопроизвольным термодинамическим процессом и сопровождается уменьшением энергии Гиббса. Процесс растворения рассматривается как равномерное распределение частиц растворенного вещества по всему объему растворителя.

Газообразные растворывозникают за счет диффузии газообразных компонентов в предоставленном объеме. Их свойства в данном пособии не рассматриваются.

1.2.1. Образование жидких растворов

Жидкие растворымогут быть получены при растворении газов, жидкостей или твердых веществ в жидком растворителе. Образование жидкого раствора связано с процессом диффузии частиц растворяемого вещества в растворе, изменением структуры растворителя и характера межмолекулярного взаимодействия.

Важную роль при образовании растворов играет взаимодействие растворяемого вещества с растворителем, обусловленное природой компонентов раствора. Характер этих взаимодействий зависит от типа частиц, состава раствора, природы сил, действующих между ними. Эти взаимодействия могут быть как физическими (за счет сил межмолекулярного взаимодействия), так и химическими (с образованием химических связей между частицами). Современная теория растворов объединяет физическую и химическую точки зрения. Процесс растворения происходит за счет взаимодействия между частицами разной полярности, характеризуемой наличием у них дипольного момента. Полярными могут быть растворители и растворяемые вещества. Значительным дипольным моментом обладает вода (0,610·10^–29 Кл·м). В образовании слабых химических связей могут участвовать как ионы, так и молекулы (образование комплексов). Сильные химические взаимодействия наблюдаются между ионами и теми частицами раствора, которые вступают с ними в непосредственный контакт (взаимодействие ионов водорода Н⁺ или металла с молекулами воды, образование различных комплексов). Полярные вещества хорошо растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, эфиры, кетоны и др.), а неполярные в неполярных (бензол, сероуглерод, четыреххлористый углерод и др.).

Образование жидких растворов сопровождается процессом сольватации. Под сольватацией понимают совокупность энергетических и структурных изменений, происходящих в растворе при взаимодействии частиц растворенного вещества с молекулами растворителя. Различают ближнюю и дальнюю сольватацию, то есть считают, что вокруг частиц растворенного вещества расположены первичная и вторичная сольватные оболочки. В первичную сольватную оболочку входят молекулы растворителя, находящиеся в непосредственной близости к частице растворенного вещества и совершающие движение в растворе вместе с частицей. Во вторичную оболочку входят молекулы растворителя, находящиеся на больших расстояниях от частицы растворенного вещества, но взаимодействующие с первичной сольватированной частицей. Сольватация сильно проявляется в водных растворах (гидратация), особенно в водных растворах электролитов, вследствие взаимодействия ионов с полярными молекулами воды.

Механизм растворения твердых веществ в жидкостях можно представить в виде ряда стадий. Сначала происходит ориентация полярных молекул растворителя вокруг частиц растворяемого вещества. Если твердое вещество имеет ионную структуру, то образуются ион-дипольные связи. Взаимодействие с растворителем способствует разрыву связей между частицами твердого вещества, то есть разрушению кристаллической решетки. В дальнейшем происходит сольватация частиц растворенного вещества (ионов) молекулами растворителя.

Процесс ориентации и разрушение кристаллической решетки происходят с поглощением энергии (эндотермические процессы), а при сольватации энергия выделяется (экзотермический процесс). От соотношения величин энергии на разных стадиях процесса растворения зависит общий тепловой эффект образования раствора. В зависимости от природы растворителя и растворяемых веществ процесс растворения может быть как экзотермическим (например, растворение серной кислоты в воде), так и эндотермическим (например, растворение кристаллогидратов ряда солей в воде). Термохимические исследования подтверждают положения химической теории растворов.

Таким образом, с точки зрения физико-химической теории растворы представляют собой системы, образованные частицами растворителя, растворенного вещества и неустойчивых химических соединений, которые образуются между ними за счет водородных связей или электростатических сил взаимодействия (продукты диссоциации, ассоциаты, комплексы).