23

I растворы: определения, классификация

Микрогетерогенные системы, в которых в одном веществе (среде) распределено (диспергировано) в виде очень мелких частиц другое вещество, называют дисперсными. Дисперсионная среда и диспергированное вещество могут находиться в разных агрегатных состояниях.

По степени дисперсности дисперсионные системы делятся на:

- грубодисперсные (взвеси): туман (жидкость в газе), дым (твердое в газе), суспензии (твердое в жидкости), эмульсии (жидкость в жидкости), пены (газ в твердом или в жидкости);

- тонкодисперсные (коллоидные) неистинные растворы: молоко, клеи и т.п.

- истинные растворы (или просто растворы), гомогенные системы, в которых вещество диспергировано до размера атомов, молекул или ионов.

Итак, раствором далее будем называть гомогенную систему переменного состава, состоящую из двух или более компонентов, а также продуктов их взаимодействия. Один из компонентов раствора принято называть растворителем, а другой (таких веществ может быть несколько) – растворенным веществом. Своей однородностью растворы выделяются из всех вариантов смесей и напоминают индивидуальные соединения, однако, в отличие от последних их состав может меняться в довольно широком интервале. Причем растворителем принято считать то вещество, содержание которого может быть доведено до 100% без изменения гомогенности системы. При увеличении содержания растворенного вещества, как правило, наступает момент насыщения, когда появляется стабильная (не исчезающая при перемешивании) поверхность раздела между раствором (который имеет агрегатное состояние растворителя) и новой фазой (твердой, жидкой или газообразной, соответствующей агрегатному состоянию растворенного вещества). выбор растворителя становится условным, формальным, если смешаны вещества, имеющие одинаковое агрегатное состояние и неограниченно растворимые друг в друге. Это справедливо:

а) для любых газообразных смесей;

б) для некоторых жидких (водаэтиловый спирт, серная кислотаазотная кислота, бензолтолуол);

в) для небольшого числа твердых растворов (медьзолото, хлорид калиябромид калия).

Часто в таких случаях в качестве растворителя выбирают компонент, который преобладает. В водных растворах растворителем, как правило, считается вода (например, 96%-ный концентрированный раствор серной кислоты в воде).

Истинные растворы также могут быть классифицированы, причем по-разному, в зависимости от выбранного признака.

 По агрегатному состоянию растворы делятся на газовые (например, воздух), жидкие (например, водные растворы глюкозы, NaCl, CН₃COOH) и твердые (например, сталь);

 По возможности растворить (не меняя внешних условий) дополнительное количество находящегося уже в растворе вещества растворы бывают ненасыщенными, насыщенными и пересыщенными. Если раствор насыщен веществом А, то в нем вещество А при тех же внешних условиях больше не может быть растворено. Такой раствор является равновесным: если в него поместить кристаллик вещества А, то не будут меняться ни концентрация раствора, ни масса (размер) кристалла. В ненасыщенном растворе кристалл станет необратимо растворяться до тех пор, пока раствор "не насытится" данным веществом. Пересыщенным называется такой раствор, в котором содержится растворенного вещества больше, чем могло быть растворено в данных условиях. Он также неравновесен и при попадании в него кристаллика растворенного вещества на его поверхности начинается необратимая кристаллизация "всего лишнего" вплоть до тех пор, пока раствор не станет насыщенным.

 По соотношению количеств растворенного вещества и растворителя растворы подразделяются на разбавленные (растворенного вещества мало) и концентрированные. Четкой границы между этими типами растворов нет. Понятие "концентрированный раствор" применяют только, когда речь идет о хорошо растворимых веществах, и означает, что раствор близок к насыщению или его концентрация соответствует промышленным стандартам. Отметим примерные концентрации "концентрированных растворов" широко используемых кислот и оснований:

Формула растворенного вещества	ω, %
H2SO4 (конц)	96-98
HNO3 (конц)	60-65
HCl (конц)	32-36
NH3 (конц)	20-25

Обсудим состав упомянутых выше водных растворов глюкозы, хлорида натрия, уксусной кислоты. Во всех трех случаях вода является растворителем. Однако только в первом растворе отсутствуют продукты взаимодействия растворителя и растворенного вещества. Точнее говоря, образование таких продуктов никак не проявляется в свойствах раствора. В частности, число частиц в нем равно сумме числа молекул растворителя и растворенного вещества (если пренебречь незначительной диссоциацией воды). Во втором растворе, наоборот, полностью отсутствуют формульные единицы растворенного вещества (молекулы NaCl). Наконец, в третьем растворе присутствуют как молекулы воды и уксусной кислоты, так и (в меньшем количестве) продукты диссоциации CH₃COOH. Итогом этого самого предварительного разговора может быть вывод о том, что свойства растворов, особенности процесса растворения являются очень специфической функцией природы вступающих в соприкосновение веществ (их энтальпийных, главным образом, и энтропийных характеристик).

Растворы играют чрезвычайно важную роль в химии и биологии. Достаточно сказать, что подавляющее большинство лабораторных и промышленных процессов, как правило, проводят в жидкой среде (водных растворах). В этом случае значительно облегчается дозировка веществ, гомогенизация смесей. Кроме того, при этом удается существенно понизить энергию активации реакций. Значение растворов предопределяет и то, что практически все биохимические процессы, так или иначе, связаны с растворами (в частности, водными растворами являются все физиологические жидкости: кровь, лимфа, цитоплазма и т.п.). Усвоение пищи связано с переходом питательных веществ в растворенное состояние. Биожидкости участвуют в транспорте питательных веществ (жиров, аминокислот, кислорода и т.п.), лекарственных препаратов к органам и тканям, а также в выведении из организма метаболитов (мочевины, билирубина, углекислого газа и пр.). Растения извлекают азот, фосфор, калий и микроэлементы из водных растворов почвы. Последние годы очень активно ведутся работы по синтезу и изучению разнообразных твердых растворов, обладающих уникальными электрическими, тепловыми, механическими и др. свойствами. Однако для биологии первостепенное значение имеют жидкие (главным образом, водные растворы). На них, в основном, и будет сконцентрировано внимание в данном пособии.