Глава 7. Жидкие растворы §1. Свойства растворов
Растворами называют физически однородные (гомогенные) смеси двух или нескольких веществ. Физическая однородность достигается равномерным перемешиванием молекул. Если одного вещества в растворе больше, чем других, то оно называется растворителем, а другие вещества - растворенными. Растворы называются слабыми или разбавленными, если число молекул растворенных веществ очень мало по сравнению с числом молекул растворителя. Растворы же, содержащие много растворимых веществ называются крепкими.
Рассмотрим свойства бинарных растворов, состоящих только из двух веществ - растворителя и растворенного вещества. Количественно растворы характеризуются концентрацией, определяющей содержание той или иной части раствора. Существует много способов выражения концентрации:
Весовая доля - отношение веса данной составной части к весу всего раствора. Если выразить ее в процентах, то мы получим весовую концентрацию.
Мольная доля - отношение числа молей растворенного вещества к общему числу молей в растворе. Выраженная в процентах, она называется молярной концентрацией. Если раствор содержит
молей одного
вещества и
молей второго, то молярные концентрации
выражаются следующим образом:
молярная концентрация вещества 1
,
молярная концентрация вещества 2
.
Молальность - число молей растворенного вещества в 1000 граммах растворителя. При изучении свойств растворов, концентрация наряду с давлением и температурой, является основным параметром состояния.
В некоторых случаях вещества могут растворяться друг в друге неограниченным образом, т.е. концентрация раствора может быть любое. Примером может быть раствор спирта в воде. Существуют, однако, и такие вещества, которые в данном растворителе способны растворяться только до определенной наивысшей концентрации. Дальнейшее же растворение при данных температуре и давлении невозможно. Эта максимальная равновесная концентрация называется растворимостью. Раствор с максимальной концентрацией называется насыщенным раствором. Растворимость обычно зависит от температуры и давления и возрастает с повышением температуры и уменьшается с повышением давления.
Многие свойства растворов даже при малых концентрациях растворенного вещества заметно отличаются от свойств чистых жидкостей, в частности, от свойств чистого растворителя. Это связано с тем, что в растворах мы имеем дело с более сложными взаимодействиями частиц. Свойства растворов также как и свойства чистых веществ определяются взаимодействием частиц между собой. Но в чистых жидкостях все частицы одинаковы, а в растворе имеется частицы разных веществ. Если, например, в жидкости А растворено вещество В, то в таком растворе играют роль взаимодействие частиц А между собой (взаимодействия А-А), частиц В между собой (В-В), частиц А с частицами В (А-В). Все эти взаимодействия различны, величина и относительная роль каждого из них зависит от концентрации. В связи с этим жидкий раствор является значительно более сложной системой, чем обычная жидкость.
Само растворение является следствием взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя. Именно эти взаимодействия ослабляют силы притяжения, которые удерживают вместе частицы растворяемого вещества, так что благодаря тепловым движениям они расходятся и постепенно распределяются по всему объему растворителя.
Разделение частиц растворенного вещества и перевод их в раствор требует затраты энергии, поскольку частицы до растворения связаны друг с другом силами притяжения. Против этих сил должна быть совершена работа. Работа эта совершается силами взаимодействия между частицами растворенного вещества и растворителя. Энергию растворения принято называть теплотой растворения.
Так как расходуемая на растворение (разделение частиц растворенного вещества) теплота заимствует из запасов внутренней энергии растворителя, то растворение должно приводить к охлаждению растворителя и значит всего раствора. Так и происходит во многих случаях, например, при растворении солей в воде. Однако растворение часто сопровождается и нагреванием раствора. Например, сильное нагревание жидкости, сопровождающее растворение серной кислоты в воде. Объясняется это тем, что между частицами растворителя и растворенного вещества могут действовать особенно большие силы притяжения, благодаря которым они с большими скоростями устремляются друг к другу и соединяются в особые комплексы. Выделяющееся за этот счет тепло не только компенсирует, но и значительно превосходит эффект охлаждения при растворении. Возможны и такие растворы, при образовании которых теплота не выделяется и не поглощается. Для этого необходимо, чтобы силы взаимодействия любых частиц в растворе были одинаковы. Такие растворы называют идеальными растворами. К ним близки некоторые реальные растворы, например, метиловый спирт в этиловом спирте, бензол в толуоле. По некоторым признакам могут считаться идеальными и любые реальные растворы, если концентрация растворенного вещества в них достаточно мала.