Общее понятие о растворах
ГЛАВА 4. РАСТВОРЫ Общее понятие о растворах Способы выражения состава растворов Коллигативные свойства растворов Общее понятие о растворах Растворы – это термодинамически равновесные гомогенные (однородные) системы, состоящие из двух или большего количества компонентов, состав которых можно изменять в определённых пределах без нарушения однородности. Растворы имеют исключительно важное значение, т. к. в них протекают многие природные и промышленные процессы. Большинство химических реакций также протекает в растворах, поскольку в них создаются благоприятные условия для перемещения и тесного сближения молекул, что необходимо для химического взаимодействия. Растворы можно рассматривать как системы, промежуточные между химическими соединениями и механическими смесями. Свойства растворов, характерные для химических соединений: - однородность; - значительные объёмные и энергетические эффекты, сопровождающие растворение. Свойства растворов, характерные для механических смесей: - отсутствие постоянства состава; - неприменимость законов стехиометрии. Растворитель – это летучий компонент раствора (жидкость), концентрация которого выше концентрации остальных компонентов (в дальнейшем будет обозначаться А). Растворённое вещество – это обычно твёрдое вещество или газ, либо жидкость с меньшей концентрацией (в дальнейшем будет обозначаться В). Понятия «растворитель» и «растворённое вещество» являются условными. Классификация растворов: I. По размеру частиц растворённого вещества: 1. Истинные растворы – растворы с размером частиц растворённого вещества d = 10–10 – 10–9 м, растворённое вещество находится в виде атомов, молекул или ионов (например: водные растворы кислот, оснований, солей, спиртов; органические растворы жиров). 2. Коллоидные растворы (золи, англ. sole – уменьшительное от лат. solutio – раствор)– растворы с размером частиц растворённого вещества d = 10–9 – 10–6 м, растворённое вещество находится в виде микрокристаллов – агрегатов молекул (например: водные золи золота, хлорида серебра, берлинской лазури; рубиновое стекло). Отдельно рассматривают растворы высокомолекулярных соединений (ВМС), главная особенность которых – большое различие в размерах молекул компонентов (например: водные растворы белков или полисахаридов – Мr (Н2О) = 18, Мr (ВМС) ~ 103 – 106). Так как в растворах ВМС растворённое вещество находится в виде молекул или ионов, то данные растворы можно отнести к истинным, но так как размер частиц растворённого вещества d = 10–9 – 10–6 м, то данные растворы также можно отнести и к коллоидным. II. По наличию электролитической диссоциации: 1. Растворы электролитов – характеризуются электролитической диссоциацией растворённого вещества с образованием ионов (например: водные растворы кислот, оснований, солей, см. Гл. 5). 2. Растворы неэлектролитов – характеризуются отсутствием электролитической диссоциации растворённого вещества (например: водные растворы спиртов, сахаров). III. По агрегатному состоянию: 1. Газообразные растворы (например: воздух – газовая смесь O2, N2, CO2, Ar и других газов). 2. Жидкие растворы (например: морская вода – наиболее распространённый в природе раствор различных солей и газов в воде). Термин «растворы» обычно применяют именно к жидким растворам. 3. Твёрдые растворы (например: металлические сплавы). Растворение представляет совокупность физических и химических явлений, при этом выделяют три основных процесса: 1. Разрушение химических и межмолекулярных связей в растворяющихся веществах, требующее затраты энергии. Энтальпия системы при этом растёт: D Н 1 > 0. 2. Химическое взаимодействие растворителя с растворяющимся веществом с образованием сольватов (если растворитель вода – гидратов, см. § 5.1), сопровождающееся выделением энергии. Энтальпия системы при этом уменьшается: D Н 2 < 0. 3. Самопроизвольное перемешивание раствора, т. е. равномерное распределение сольватов в растворителе, происходящее по причине диффузии и требующее затраты энергии. Энтальпия системы при этом растёт: D Н 3 > 0. Таким образом, суммарный тепловой эффект растворения: D mН = D Н 1 + D Н 2 + D Н 3. В зависимости от знака D mН выделяют: 1. Экзотермическое растворение: D mН < 0, характерно для растворения газов и жидкостей в жидком растворителе. Как и для химических реакций, критерием самопроизвольности изобарно-изотермического процесса растворения является энергия Гиббса (см. §2.5). При этом, при самопроизвольном процессе энергия Гиббса растворения должна быть отрицательна: D mG < 0. Значит, согласно формуле (2.35), изменение энтропии экзотермического растворения может быть больше или меньше нуля (D mS > 0, D mS < 0). При увеличении температуры растворимость газов уменьшается (согласно принципу Ле-Шателье, см. § 3.5). 2. Эндотермическое растворение: D mН > 0, характерно для растворения кристаллических веществ в жидком растворителе. При условии отрицательной энергии Гиббса: D mG < 0 изменение энтропии эндотермического растворения должно быть строго положительно D mS > 0. При увеличении температуры растворимость кристаллических веществ увеличивается. Кроме теплового эффекта при растворении имеет место объёмный эффект растворения D mV. Так, при смешивании в стандартных условиях (Т = 298,15 К, Р = 101325 Па) 1 л этилового спирта и 1 л воды образуется не 2 л, а 1,93 л раствора – происходит контракция раствора (от лат. contractio – сжатие). В данном случае уменьшение объёма на 3,5 % обусловлено возникновением водородных связей между гидроксильными группами молекул спирта и воды, а также разрушением льдоподобных структур воды. В теории растворов широко используются понятия идеального и предельно разбавленного раствора. Идеальный раствор – это раствор, для которого выполняются следующие условия: 1. Образование раствора не сопровождается тепловым и объёмным эффектами растворения: D mН = 0, D mV = 0 (т. е. энтальпия и объём аддитивны). 2. Движущей силой образования раствора является изменение энтропии D mS > 0. 3. Между частицами всех компонентов раствора (т. е. частицами растворителя и растворённых веществ) действуют одинаковые силы межмолекулярного взаимодействия. Идеальный раствор – это воображаемое понятие; реальные растворы могут быть только более или менее близки к идеальным. Максимально приближены по свойствам к идеальным раствора следующие системы: - смесь жидких бензола и толуола, - смесь жидких кислорода и азота, - смесь алканов в сырой нефти. Приближаются по своим свойствам к идеальным раствора и очень разбавленные растворы, т. е. растворы с очень низкой концентрацией растворённого вещества. Предельно разбавленный раствор – это раствор с бесконечно малой концентрацией растворённого вещества, в котором можно пренебречь взаимодействием между частицами растворённого вещества из-за их разобщённости.
|
