Раствором называют гомогенную систему, состоящую из двух или большего числа составных частей (компонентов), относительное содержание которых может непрерывно изменяться в тех или иных пределах. Непрерывное изменение состава при сохранении однородности (гомогенности) — важнейший признак растворов, в этом состоит главное отличие растворов от химических соединений. Можно отметить, что кроме обычных растворов (о которых идет речь в школьном курсе химии) к растворам в настоящее время принято относить соединения переменного состава. Так, известно, что при взаимодействии железа и серы образуется продукт реакции переменного состава — сульфид железа (II) FeSx, причем 0,98 < х < 1,05. Состав вещества, образующегося в этой реакции, зависит от условий проведения реакции и в указанных пределах непрерывно изменяется.
Сульфид железа (II) в современной неорганической химии рассматривают как фазу переменного состава и как твердый раствор. Аналогичные твердые растворы представляют собой многие соединения переходных металлов с самыми разными неметаллами (гидриды, оксиды, сульфиды и др.). К числу твердых растворов относят и продукты реакции натрия и более тяжелых щелочных металлов с кислородом, многие другие твердые неорганические соединения,
Если речь идет об обычных растворах, то один из его компонентов называют растворителем, остальные компоненты - растворенными веществами. Будем далее для простоты рассматривать только такие растворы, в которых кроме растворителя содержится одно растворенное вещество.
Важная особенность многих растворов заключается в том, что из них простыми физическими приемами (охлаждением, нагреванием, выпариванием) можно выделить чистые исходные компоненты.
Термины «растворитель» и «растворенное вещество». Часто считают, что из двух компонентов раствора растворитель - это то вещество, которого для приготовления данного раствора взято больше по массе или по объему. Так, если для приготовления раствора использовано 500 мл ацетона и 10 мл этилового спирта, то в этом случае ацетон - растворитель, а этиловый спирт — растворенное вещество. Правда, для воды сделано исключение. Принято считать, что в двухкомпонентной системе с любым массовым соотношением компонентов вода всегда растворитель. Например, раствор, в котором на 2 г воды приходится 98 г Н2SО4, рассматривают как 98%-й раствор серной кислоты в воде, а не 2%-й раствор воды в серной кислоте. Аналогично медицинский спирт — это 96%-й раствор этанола в воде, а не 4%-й раствор воды в этиловом спирте.
Для приготовления раствора можно использовать не только вещества, находящиеся в одном и том же агрегатном состоянии (две жидкости или два твердых вещества), но и два вещества, находившиеся первоначально в разных агрегатных состояниях, - газ и жидкость, газ и твердое вещество, жидкость и твердое вещество. Если для приготовления раствора взяты вещества, находившиеся в разных агрегатных состояниях, то растворителем называют то из них, которое первоначально находилось в том же агрегатном состоянии, что и образовавшийся раствор. Так, для приготовления раствора можно использовать, например, 200 г сероуглерода СS2 и 300 г белого фосфора Р. Растворитель в данном случае — сероуглерод, т. к. при комнатной температуре он, как и образующийся раствор, находится в жидком состоянии, а белый фосфор при обычных условиях — твердое вещество. Другой пример - металл палладий Рd и газ водород Н2. В твердом палладии при обычных условиях могут растворяться значительные количества водорода (до 700 объемов водорода в одном объеме палладия). Образующийся раствор — твердое вещество, поэтому в данном случае металл палладий — растворитель, а водород — растворенное вещество.
Растворы могут быть жидкими (растворы жидкостей друг в другое, растворы в жидкостях газов или твердых веществ) или твердыми (растворы твердых веществ друг в друге, раствор газа в твердом веществе). Гомогенные системы, состоящие из двух или большего числа газов, не принято называть растворами, их обычно рассматривают как смеси газов.
Насыщённый раствор. Насыщенным называют такой раствор, в котором содержание растворенного вещества отвечает установлению при данной температуре равновесия между этим веществом и раствором. Часто дают следующее определение насыщенного раствора: насыщенным называют раствор, в котором установилось равновесие между раствором и растворенным веществом. Конечно, в таком случае раствор будет насыщенным, что называется, по определению. Но если при неизменной температуре отделить такой раствор от фазы растворяемого вещества (например, слить раствор от твердой фазы), то раствор (при неизменной температуре) останется насыщенным, хотя указанного равновесия уже нет.
При каждой температуре содержание того или иного растворенного вещества в насыщенном растворе постоянно. Массу растворенного вещества, приходящуюся в насыщенном растворе при данной температуре на 100 г растворителя, называют растворимостью данного вещества. Значения растворимости различных веществ приведены в справочниках по химии,,
Ненасыщенный раствор. Если содержание в растворе растворенного вещества ниже отвечающего равновесию (ниже растворимости), то такой раствор называют ненасыщенным. Содержание растворенного вещества в таком растворе больше 0, но меньше растворимости. Каждый ненасыщенный раствор (как и насыщенный) устойчив и может храниться при данной температуре в закрытом сосуде как угодно долго. При внесении в него дополнительных порций растворяемого вещества содержание вещества в растворе постепенно возрастает, пока не достигнет значения, отвечающего равновесию.
Пересыщенный раствор. Если при фиксированной температуре как угодно долго перемешивать раствор с осадком растворяемого вещества, то можно получить только насыщенный раствор. Приготовить пересыщенный раствор (раствор, в котором содержание растворенного вещества выше растворимости) таким способом нельзя. Пересыщенный раствор можно получить, например, осторожно охлаждая раствор, насыщенный при более высокой, чем Т1, температуре, до температуры T1, или удаляя из раствора, насыщенного при температуре T2, часть растворителя.
Пересыщенный раствор характеризуют через степень пресыщения ? которая равна отношению содержания растворенного вещества (выраженному, например, в граммах на 100 г растворителя) в данном растворе к содержанию этого же вещества в насыщенном растворе. Значение ?> 1. Пересыщенные растворы, в отличие от насыщенных и ненасыщенных, при хранении нестабильны. С течением времени наблюдается выделение избытка растворенного вещества, и пересыщенный раствор становится насыщенным.
Многие пересыщенные водные растворы при невысоких значениях ? метастабильны. Метастабильность заключается в том, что, с одной стороны, такие растворы часто могут храниться длительное время без каких-либо изменений. Более того, в целом ряде случаев выделение твердой фазы из метастабильных пересыщенных растворов не наблюдается при любом времени хранения. Но, с другой стороны, при внесении в пересыщенный раствор затравки (ее роль выполняют маленькие кристаллики растворенного вещества или мельчайшие твердые частицы какого-либо другого подходящего вещества) происходит выделение избыточного (над равновесным) растворенного вещества из раствора и его содержание в растворе самопроизвольно снижается до значения, отвечающего насыщенному раствору.
Метастабильность пересыщенных растворов объясняется тем, что выделение из таких растворов твердой фазы связано с расходом энергии на образование зародыша твердой фазы. Для формирования зародыша содержащиеся в растворе ионы или молекулы растворенного вещества должны, во-первых, десольватироваться (дегидратироваться) и, во-вторых, расположиться в пространстве определенным образом (так, чтобы возникла кристаллическая решетка с упорядоченным расположением в ней ионов или молекул). Чем сложнее строение отдельных молекул (ионов) растворенного вещества, тем больше требуется энергии и для образования зародыша и тем большее пресыщение может сохраняться в растворе длительное время.
Затравкой при выделении твердой фазы из пересыщенного раствора часто служат мельчайшие частицы сажи, диоксида кремния, оксида алюминия и других твердых веществ, постоянно присутствующие в атмосферном воздухе, в воде, в любых растворах, контактирующих с воздухом. Число таких частиц огромно. В 1 см3 атмосферного воздуха их содержится 103—105. Примерно такое же количество их в воде, контактирующей с воздухом. Роль затравки могут выполнять и стенки сосуда, в котором находится пересыщенный раствор.
В предыдущем разделе было рассмотрено понятие «растворимость», которое характеризует содержание растворенного вещества в насыщенном растворе. Но для практики важно характеризовать содержание растворенного вещества в любом растворе, а не только в насыщенном. Для такой характеристики в теоретической химии часто используют понятие «мольная доля». Мольная доля — это отношение числа молей растворенного вещества к общему числу молей растворителя и растворенного вещества в растворе. Пусть, например, в 720 г воды растворено 117 г NаС1. В полученном растворе содержится 720/18 = 40 моль воды и 117/58,5 = 2 моль NaС1. Всего в растворе имеется 40 + 2 = 42 моль веществ. Мольная доля NaС1 составляет 2/42 = 0,0476.
На практике использовать мольную долю для характеристики содержания растворенного вещества в растворе не всегда удобно. Поэтому часто раствор характеризуют через массовую долю растворенного вещества. Массовая доля — это отношение массы растворенного вещества к массе раствора. Массовую долю обозначают латинской буквой w («дубль вэ») и выражают или в долях единицы, или в процентах. Массовая доля может изменяться от 0 (чистый растворитель) до 1, или 100% (чистое растворенное вещество). Если массу раствора обозначить через т, массу растворенного вещества - через m(р.в.), а массу растворителя - через т(р.) (очевидно, что т =m(р.в.) + m(р.)), то массовая доля w равна:
w=m(р.в.)/m = m(р.в.)/m(р.в.) + m(р.)).
Разумеется, при расчете массовой доли растворенного вещества в том или ином растворе массы всех веществ — и раствора, и растворителя, и растворенного вещества - должны быть выражены в одних и тех же единицах массы (миллиграммах, граммах, килограммах и т. д.).
Отметим, что в настоящее время не принято рассматривать ни мольную, ни массовую доли как концентрацию раствора. Поэтому выражение «процентная концентрация раствора» (оно отвечает массовой доле растворенного вещества, выраженной в процентах) рассматривается как недопустимое в научной и учебной литературе.
Материалы ИЮПАК рекомендуют для выражения концентрации раствора использовать понятие «молярная концентрация». Молярная концентрация равна отношению количества (т. е. числа молей) растворенного вещества к объему раствора, выраженному в литрах (кубических дециметрах). Если массовая доля - величина безразмерная, то размерность молярной концентрации — моль/л (моль/дм3).
Раствор
Раство́р — гомогенная (однородная) смесь, состоящая из частиц растворённого вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия.
Раствор — однофазная система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов. Растворы — гомогенные (однородные) системы, то есть каждый из компонентов распределён в массе другого в виде молекул, атомов или ионов[1].
Растворитель — компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. В случае же растворов, образующихся при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью, твёрдого вещества с твёрдым, растворителем считается компонент, количество которого в растворе преобладает[1].
Образование того или иного типа раствора обусловливается интенсивностью межмолекулярного, межатомного, межионного или другого вида взаимодействия, то есть, теми же силами, которые определяют возникновение того или иного агрегатного состояния. Отличия: образование раствора зависит от характера и интенсивности взаимодействия частиц разных веществ[1].
По сравнению с индивидуальными веществами по структуре растворы сложнее[1].
Растворы бывают газовыми, жидкими и твёрдыми[1].
Твёрдые, жидкие, газообразные растворы
Чаще под раствором подразумевается жидкое вещество, например раствор соли или спирта в воде (или даже раствор золота в ртути — амальгама).
Существуют также растворы газов в жидкостях, газов в газах и жидкостей в жидкостях, в последнем случае растворителем считается вода, или же компонент, которого больше.
В химической практике обычно под растворами понимают гомогенные системы, растворитель может быть жидким, твёрдым (твёрдый раствор), газообразным. Однако нередко допускается и микрогетерогенность — см. «Золи».
«Раствором» именуют и смесь цемента с водой, песком и так далее. Хотя это и не является раствором в химическом смысле этого слова.
Ионные и коллоидные растворы
Коллоидные и ионные растворы (изучением коллоидных систем занимается коллоидная химия) отличаются главным образом размерами частиц.
В ионных растворах размер частиц менее 1×10−9 м, частицы в таких растворах невозможно обнаружить оптическими методами; в то время как в коллоидных растворах размер частиц 1×10−9 м — 5×10−7 м, частицы в таких растворах можно обнаружить при помощи ультрамикроскопа (см. эффект Тиндаля).
Растворение
Растворение — переход молекул вещества из одной фазы в другую (раствор, растворенное состояние). Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии при растворении твёрдых веществ и её уменьшением при растворении газов. При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физические свойства раствора (например, плотность, вязкость, иногда — цвет, и другие) меняются.
В случае химического взаимодействия растворителя и растворённого вещества сильно меняются и химические свойства — например, при растворении газа хлороводорода в воде образуется жидкая соляная кислота.
Растворы электролитов и неэлектролитов
Электролиты - вещества, проводящие в расплавах или водных растворах электрический ток. В расплавах или водных растворах они диссоциируют на ионы. Неэлектролиты - вещества, водные растворы и расплавы которых не проводят электрический ток, так как их молекулы не диссоциируют на ионы. Электролиты при растворении в подходящих растворителях (вода, другие полярные растворители) диссоциируют на ионы. Сильное физико-химическое взаимодействие при растворении приводит к сильному изменению свойств раствора (химическая теория растворов).
Вещества, которые в тех же условиях на ионы не распадаются и электрический ток не проводят, называются неэлектролитами.
К электролитам относятся кислоты, основания и почти все соли, к неэлектролитам — большинство органических соединений, а также вещества, в молекулах которых имеются только ковалентные неполярные или малополярные связи.