Розчини. Дисперсні системи

3.1. РОЗЧИНИ. ХАРАКТЕРИСТИКА РОЗЧИНІВ ТА СПОСОБИ ВИРАЖЕННЯ ЇХНЬОГО СКЛАДУ

Розчинами називаються гомогенні термодинамічно стійкі системи, які складаються з розчинених речовин, розчинника і продуктів їхньої взаємодії. Розчинником вважається компонент, агрегатний стан якого не змінюється під час утворення розчину. Якщо розчин утворюється внаслідок змішування речо-вин, які знаходяться в однаковому агрегатному стані, розчинником вважають компонент, кількість якого переважає.

Гомогенність розчинів обумовлена тим, що під час їхнього утворення роз-чинена речовина внаслідок взаємодії з розчинником подрібнюється до моле-кулярного або атомного рівня, тобто розміри часточок розчиненої речовини не перевищують 10^-9 м. Такі розчини називаються істинними.

Процес утворення розчину є проміжним між хімічним і фізичним проце-сами. Склад розчинів у деякому інтервалі концентрацій, температур і тиску мо-же змінюватися безперервно, що наближає розчини до механічних сумішей. Однорідність, енергетичні ефекти, що супроводжують процес розчинення ба-гатьох речовин, наближають розчини до хімічних сполук.

Перші праці з вивчення властивостей розчинів належать М.В.Ломоно-сову. У 80-х роках минулого століття Д.І.Менделєєв розробив гідратну теорію, згідно з якою під час утворення розчинів відбуваються не тільки фізичні, а й хімічні процеси.

Під час розчинення речовини відбуваються такі процеси: руйнування зв’язків між частинками (молекулами, атомами, іонами) у речовині, яка розчи-няється, та в розчиннику, що супроводжується поглинанням теплоти; одно-часно утворюються з молекулами розчинника відносно нестійкі сполуки — сольвати, внаслідок чого виділяється теплота; далі відбувається розподіл сольватованих частинок речовини, яка розчиняється в розчиннику (дифузія), що супроводжується поглинанням теплоти.Загальний тепловий ефект процесу розчинення буде позитивним або негативним залежно від того, що переважатиме: тепловий ефект сольватації частинок, чи сума теплових ефектів руйнування зв’язків між частинками речовини, яка розчиняється, і дифузії.

З термодинамічної точки зору речовина може розчинятися у будь-якій рідині самочинно, якщо в результаті цього енергія Гіббса системи зменшується, тобто

∆G ≡ (∆H-T∆S)<0.

Розчинення відбувається самочинно (∆G<0) аж до насичення розчину (∆G=0).

Наприклад, якщо розчиняється кристалічна речовина, подрібнення пот-ребує значної витрати енергії, тому розчинення твердих речовин часто відбу-вається з поглинанням теплоти (∆H>0). Навпаки, при розчиненні рідини або га-зу енергія, яка витрачається на руйнування їхньої структури, менша ніж енергія, яка виділяється при сольватації, тому їх розчинення відбувається з виділенням теплоти (∆H<0). У той же час перехід речовини з упорядкованого рідкого, а тим більш твердого стану в розчин супроводжується збільшенням ентропії системи (∆S>0). Збільшення ентропійного фактора особливо відчутне при підвищених температурах (Т∆S). Тому розчинність твердих і рідких речовин при нагріванні, як правило, збільшується. Навпаки, взаємодія молекул газу з розчинником призводить до зменшення ентропії системи (∆S<0). Вплив ентропійного фактора на зміну ∆G збільшується зі збільшенням температури (Т∆S), тому розчинення газів при нагріванні зменшується.

Тепловий ефект процесу розчинення (∆Н) і зміна ентропії при розчи-ненні (∆S) можуть бути і додатні і від’ємні. Процес не може відбуватися само-чинно лише у випадку, якщо ∆H>0, а ∆S<0 (∆H-T∆S>0).

За агрегатним станом розчини бувають рідкі (наприклад, розчини солей у воді), тверді (розчини одного або кількох металів у іншому — сплави), газо- подібні (суміш газів). Найбільш важливим видом розчинів є рідкі (P) розчини. За вихідним фазовим станом (Г,Р або Т) розчиненої речовини рідкі розчини по-діляються на три групи (Р+Г), (Р+Р) і (Р+Т). До першої групи належать, на-приклад, розчини хлороводневої, сірководневої, вугільної кислот. До групи (Р+Р) належать розчини спиртів, кетонів та інші. До третьої групи належать розчини більшості солей, лугів, твердих кислот та ін.

Розчинення речовини — процес оборотний, який складається з двох про-тилежних процесів: прямого — розчинення, та зворотного — виділення розчи-неної речовини з розчину. Для твердих речовин зворотним процесом є криста-лізація речовини з розчину. Коли швидкість розчинення дорівнює швидкості кристалізації, концентрація розчину над осадом стає сталою величиною, а роз-чин, який знаходиться в рівновазі з речовиною називається насиченим. У ньому речовина більше не розчиняється за даної температури. Розчин, у якому ре-човина ще може розчинятися за даної температури, називається ненасиченим.

Здатність речовини, змішуючись з іншою речовиною утворювати гомо-генні системи, називається розчинністю. Кількісною характеристикою розчин-ності є концентрація насиченого розчину речовини за даної температури. Її можна подати через коефіцієнт розчинності К_S (гл). Коефіцієнт розчинності — це маса розчиненої речовини, що за певної температури може розчинитися в певному об’ємі розчинника з утворенням насиченого розчину.

Розчинність твердих та рідких речовин визначають також масою речо-вини, яка може розчинитися в 100г розчинника за певної температури. Розчин-ність газів визначають об’ємом газу, який може розчинитись в 1л розчинника за певної температури. За розчинністю речовин у воді їх поділяють на розчинні (понад 1г у 100г води), малорозчинні (0,1-1г у 100г води), практично нероз-чинні (менше ніж 0,1г у 100г води).

Способи вираження складу розчинів. Склад розчину виражається концентрацією або часткою розчиненої речовини.

Молярна концентрація (С_М) визначається відношенням кількості розчиненої речовини ( ) до об’єму розчину (V), моль/л: