2 Семестр (Органика) / Старые / Дисперсные системы

Дисперсные системы. Коллоидные системы. Растворы. Растворимость

Вещества, растворы которых имеют определенное осмотичес­кое давление, проникают через полупроницаемые перепонки и выделяются из растворов в виде кристаллов. Такие вещества анг­лийский ученый Т.Грэм (1805—1869 гг.) назвал кристаллоидами, а их растворы — истинными, в отличие от растворов коллоидных. У коллоидных растворов осмотическое давление незначительно или его нет совсем, и вещества, растворенные в этих растворах, не проникают через полупроницаемые перепонки и не кристаллизу­ются, т.е. после испарения растворителя остаются в виде бесфор­менной массы (принимают форму сосуда). Самым известным из таких веществ является клей (по-гречески — колла); поэтому они и были названы коллоидами.

Позднее было обнаружено, что некоторые нерастворимые в воде вещества, будучи очень тонко распыленными (усиленным дроблением или же под влиянием особых причин при их выделе­нии), образуют смеси с такими же свойствами, как и коллоидные растворы; кристаллоиды же при подборе подходящего раствори­теля также дают коллоидные растворы. Поэтому в настоящее время название коллоид (кристаллоид) применяется только к ве­ществам , известным лишь в коллоидном (кристаллоидном) состо­янии. В других случаях говорят о коллоидном состоянии вещест­ва, а не о коллоидных веществах.

Часть химии, которая занимается изучением веществ в кол­лоидном состоянии, называется коллоидной химией. Рассмотрим ее основу на примере. Графит не растворяется в масле. Если же размешать порошок графита в масле, то образуется смесь — сус-пензия, которая по истечении некоторого времени разделится, т.к. графит осядет на дно сосуда. Если графит, измельченный до пылевидного состояния, рассеян в масле, то он не дает осадка, т.е. получится коллоидный раствор графита в масле. Точно так же можно жидкость (например, масло) рассеять в другой жидкости (например, в воде) в эмульсию, которая хотя и разделится через некоторое время, однако при определенных условиях становится коллоидным раствором масла в воде.

Общее название суспензии, эмульсии, коллоидных и истин­ных растворов — дисперсоиды, или дисперсные системы.

Дисперсная фаза системы — раздробленное вещество, дис­персная среда — жидкость.

Известны дисперсоиды твердые и газообразные, как это видно из разделения их по группам дисперсной среды:

1. Дисперсоиды газообразные: дым, туман (твердые вещества или жидкости, рассеянные в газовой среде).

2. Дисперсоиды жидкие:

а) пирозоли (устойчивы при высокой температуре), например рассеянные металлы в расплавленных солях;

б) криозоли (устойчивы при низкой температуре), например лед в хлороформе;

в) лиозоли (устойчивы при обыкновенной температуре), напри-

мер коллоидные растворы — суспенсоиды и эмульсоиды.

3. Дисперсоиды твердые: цветное стекло, опалы и некоторые сплавы металлов.

Чаще всего в химии мы встречаемся с лиозолями, которые делятся по степени дисперсности:

Дисперсоиды жидкие (лиозоли)

1) грубые: суспензии и эмульсии

2) тонкие: коллоидные растворы или золи

3) молекулярные или ионные: растворы кристаллоидов (истинные растворы)

Коллоидные растворы составляют переход между суспензия­ми (эмульсиями) и истинными растворами. Все зависит здесь от величины частичек дисперсной фазы, т.е. от степени дисперснос-ти (рассеивания) дисперсной фазы.

Величина рассеянных частиц от 10^-4 до 10^-8 см.¹

Таким образом, коллоидность не является свойством каких-либо определенных веществ, но является общим свойством всех веществ, т.к. каждое вещество (твердое, жидкое или газообраз, ное) можно привести в коллоидное состояние в подходящей среде при достаточном размельчении.

Так, например, поваренная соль NaCl — кристаллоид (обра­зует с водой истинный раствор). Коллоидный раствор NaCl можно получить при достаточном рассеянии NaCl в бензине.

Дисперсные системы неустойчивы. Уменьшением степени дисперсности, т.е. увеличением размера частичек, коллоидное состояние нарушается, и частицы оседают. В этом случае колло­идный раствор коагулирует, т.е. образуется суспензия или гель (желатинообразное вещество), связывающие большую часть дис­персной среды, т.е. растворителя.

Твердые, жидкие и газообразные системы (смеси) двух или нескольких компонентов, образующих одну фазу (гомогенные), называются растворами.

По агрегатному состоянию различают растворы газообразные (газовые смеси, например воздух), растворы жидкие (растворы газов, жидкостей и твердых веществ в жидкостях) и твердые рас­творы (сплавы, стекло).

Истинные растворы состоят из растворенного вещества, на­ходящегося в виде атомов, ионов или молекул, равномерно окру­женных атомами, ионами или молекулами растворителя. То есть истинные растворы однофазны, в них отсутствует граница разде­ла между растворителем и растворенным веществом.

Огромное значение имеют жидкие смеси, в которых раствори­телем является жидкость. Общепринятым растворителем являет­ся вода, но применяются и другие растворители, например спирт, эфир, ацетон, бензин, пиридин и т.д.

Итак, в процессе растворения частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества под действием движущихся частиц рас­творителя переходят в раствор, образуя качественно новую одно­родную систему.

Растворимость характеризует способность вещества растворяться в том или ином растворителе.

В зависимости от способности растворяться вещества делятся на хорошо растворимые в воде, малорастворимые в воде и практи­чески нерастворимые в воде.

Например, практически нерастворимы в воде: благородные газы, золото; малорастворимы в воде: оксид азота (II), азот, кис­лород, гидроксид кальция; хорошо растворимы в воде: нитраты (соли азотной кислоты), аммиак и т.д.

Растворимость веществ зависит от температуры, давления, от природы растворителя и растворимых веществ, от присутствия в растворах посторонних веществ.

Остановимся на зависимости растворимости веществ от тем­пературы и природы растворителя.

Растворимость твердых веществ в воде, как правило, увеличивается с повышением температуры.

При определенной температуре при растворении твердого вещества концентрация его в растворе растет. Одновременно происходит и обратный процесс — выделение твердого вещест­ва из раствора — кристаллизация вещества. Если система на­ходится в состоянии динамического равновесия, то скорости прямого и обратного процессов одинаковы, а концентрация растворенного вещества неизменна. Такое состояние системы может сохраняться долго, пока не изменятся условия течения процесса растворения. Раствор, в котором достигается равнове­сие, называется насыщенным. Кроме насыщенных, различают ненасыщенные растворы. Это растворы, содержащие при задан­ной температуре меньше растворенного вещества, чем должен содержать насыщенный раствор.

При быстром охлаждении насыщенного раствора может про­изойти образование пересыщенного раствора. Пересыщенным называют раствор, в котором при данной температуре содержится большее количество вещества, чем в насыщенном растворе. Пере­сыщенный раствор неустойчив, и при изменении условий (при встряхивании и т.п.) выпадет осадок, над которым остается насы­щенный раствор.

Растворимость газов увеличивается при понижении темпера­туры. При изменении давления растворимость газа в жидкости подчиняется закону Генри:

Растворимость газа прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.

Эту закономерность выражают формулой: х = kp

где х — мольная доля растворенного вещества, р — давление, k — постоянная величина (константа Генри).

Способы выражения концентрации растворов

Количественно растворимость выражают концентрацией на­сыщенного раствора. Чаще всего ее обозначают максимальным числом граммов вещества, которое можно растворить в 100 г рас­творителя при данной температуре. Эта величина называется ко­эффициентом растворимости, или просто растворимостью ве­щества.

Существует несколько способов выражения концентрации растворов: массовая доля, мольная доля, молярная концентра­ция, объемная доля.

Массовая доля растворенного вещества — это безразмерная величина, равная отношению массы растворенного вещества к общей массе раствора, т.е.

где w_B — массовая доля растворенного вещества; т_B — масса рас­творенного вещества и т — общая масса раствора.

Массовую долю растворенного вещества w_в обычно выражают в долях единицы или в процентах. Например, массовая доля рас­творенного вещества — серной кислоты — в воде равна 0,05 или 5%. Это означает, что в растворе серной кислоты массой 100 г содержится серная кислота массой 5 г и вода массой 95 г.

Молярная концентрация, или молярность — это число молей растворенного вещества, содержащееся в 1 литре раствора, т.е.

где с(Х) — молярная концентрация X; v(X) — количество веще­ства, выраженное в молях; V— объем раствора, л. Примеры запи­си молярной концентрации с(HС1) = 0,1 моль/л, c(Н₃РО₄) = 0,5 моль/л, c(NH⁺₄) = 1 • 10^-5моль/л.

Раствор, в 1 л которого содержится 1 моль растворенного вещества, называется молярным.

Если в 1 л раствора содержится 0,1 моля вещества, то он называется децимолярным; 0,01 моля — сантимолярным; 0,001 моля — миллимолярным. Молярность раствора обычно обозначается буквой М. Например, 1М NaOH — молярный рас­твор гидроксида натрия, 1 л такого раствора содержит 1 моль вещества или 1 моль-40 г/моль = 40 г NaOH; 0,01M NaOH — сантимолярный раствор, 1 л его содержит 0,01 моль, т.е. 0,001 • 40 г = 0,4 г NaOH и т.д. Чтобы приготовить, например, децимолярный раствор гидроксида натрия, надо отвесить 4 г его, внести в литровую мерную колбу, на горлышке которой отмечен объем, точно равный 1 л, добавить дистиллированной воды до полного растворения вещества и затем раствор довести до метки [нижняя часть мениска должна касаться метки].

Пользоваться молярной концентрацией удобно, так как из­вестно количество вещества, содержащееся в определенном объе­ме раствора. Например, для нейтрализации 1 л 1М раствора NaOH необходимы в соответствии с уравнениями реакций:

а) NaOH + НС1 = NaCl + Н₂О

б) 2NaOH + H₂S0₄ = Na₂S0₄ + Н₂0

следующие объемы растворов кислот: 1 л 1М НС1 или 0,5 л 1М H₂SO₄. Очевидно, на нейтрализацию 0,5 л 2М раствора NaOH потребуется 0,5 л 2М НС1 или 0,5 л 1М H₂SO₄ или 0,25 л 2М H₂S0₄ и т.д.

В химии часто концентрацию растворов выражают моль­ными соотношениями, для чего используют понятие мольной доли. Мольная доля — отношение числа молей данного вещест­ва в растворе к общему числу молей растворенного вещества и растворителя. Например, для сплава меди с цинком, содержа­щего 0,8 моля Си и 1,6 моля Zn, мольная доля последнего равна 0,67(1,6:2,4).