Растворы, также как и процесс их образования, имеют огромное значение в окружающем нас мире. Вода и воздух — это два их представителя, без которых невозможна жизнь на Земле. Большинство биологических жидкостей в растениях и животных также являются растворами. Процесс переваривания пищи неразрывно связан с растворением питательных веществ.
Любые производства связаны с использованием тех или иных видов растворов. Они применяются в текстильной, пищевой, фармацевтической промышленностях, металлообработке, при добыче полезных ископаемых, получении пластмасс и волокон. Именно поэтому важно понимать, что они собой представляют, знать их свойства и отличительные признаки.
Признаки истинных растворов
Под растворами понимают многокомпонентные однородные системы, образующиеся при распределении одного компонента в другом. Ими также принято называть дисперсные системы, которые в зависимости от размеров образующих их частиц подразделяют на коллоидные системы, суспензии и истинные растворы.
В последних компоненты находятся в состоянии разделенности на молекулы, атомы или ионы. Для таких молекулярно-дисперсных систем характерны следующие признаки:
- сродство (взаимодействие);
- самопроизвольность образования;
- постоянство концентрации;
- гомогенность;
- устойчивость.
Иными словами, они могут образовываться, если между компонентами имеется взаимодействие, которое приводит к самопроизвольному разделению вещества на мельчайшие частицы без усилий, прилагаемых извне. Получаемые растворы должны быть однофазными, то есть между составными частями не должно быть поверхности раздела. Последний признак является наиболее важным, поскольку самопроизвольно процесс растворения может протекать, только если для системы это энергетически выгодно. При этом происходит уменьшение свободной энергии, и система становится равновесной. С учетом всех этих особенностей можно сформулировать следующее определение:
Истинным раствором является устойчивая равновесная система взаимодействующих частиц двух и более веществ, размеры которых не превышают 10-7 см, то есть соразмерны атомам, молекулам и ионам.
Одно из веществ является растворителем (как правило, это тот компонент, концентрация которого выше), а остальные — растворенными веществами. Если исходные вещества находились в разных агрегатных состояниях, то за растворитель принимают то, которое его не изменило.
Виды истинных растворов
По агрегатному состоянию растворы бывают жидкими, газообразными и твердыми. Наиболее распространены жидкие системы, причем они также подразделяются на несколько типов в зависимости от исходного состояния растворенного вещества:
- твердое в жидком, например, сахар или соль в воде;
- жидкое в жидком, например, серная или соляная кислоты в воде;
- газообразное в жидком, например, кислород или углекислый газ в воде.
Однако растворителем может быть не только вода. И по природе растворителя все жидкие растворы делят на водные, если вещества растворены в воде, и неводные, если вещества растворены в эфире, этаноле, бензоле и т.д.
По электрической проводимости растворы делят на электролиты и неэлектролиты. Электролитами являются соединения с преимущественно ионной кристаллической связью, которые при диссоциации в растворе образуют ионы. Неэлектролиты при растворении распадаются на атомы или молекулы.
В истинных растворах одновременно происходят два противоположных процесса — растворение вещества и его кристаллизация. В зависимости от положения равновесия в системе «растворенное вещество — раствор» различают следующие виды растворов:
- насыщенный, когда скорость растворения некоторого вещества равна скорости его же кристаллизации, то есть раствор находится в равновесии с растворяющим веществом;
- ненасыщенные, если в них содержится меньше растворенного вещества, по сравнению с насыщенным при той же температуре;
- пересыщенные, которые содержат избыток растворенного вещества в сравнении с насыщенным, и одного кристаллика его бывает достаточно для начала активной кристаллизации.
В качестве количественной характеристики, отражающей содержание того или иного компонента в растворах, используют концентрацию. Растворы с малым содержанием растворенного вещества называют разбавленными, а с высоким — концентрированными.
Способы выражения концентрации
Массовая доля (ω) — масса вещества (mв-ва), отнесенная к массе раствора (mр-ра). При этом массу раствора принимают как сумму масс вещества и растворителя (mр-ля).
Мольная доля (N)- число моль растворенного вещества (Nв-ва), отнесенные к общему числу моль веществ, которые образуют раствор (ΣN).
Моляльность (Сm) — число моль растворенного вещества (Nв-ва), отнесенные к массе растворителя (mр-ля).
Молярная концентрация (См) — масса растворенного вещества (mв-ва), отнесенная к объему всего раствора (V).
Нормальность, или эквивалентная концентрация, (Сн) — число эквивалентов (Э) растворенного вещества, отнесенных к объему раствора.
Титр (Т) — масса вещества (mв-ва), растворенного в заданнном объеме раствора.
Объемная доля (ϕ) газообразного вещества — объем вещества (Vв-ва), отнесенный к объему раствора (Vр-ра).
Свойства растворов
Рассматривая этот вопрос, чаще всего говорят о разбавленных растворах неэлектролитов. Связано это, во-первых, с тем, что степень взаимодействия между частицами приближает их к идеальным газам. А во-вторых, свойства их обусловлены взаимосвязанностью всех частиц и пропорциональны содержанию компонентов. Такие свойства истинных растворов называют коллигативными. Давление пара растворителя над раствором описывается законом Рауля, который гласит, что снижение давления насыщенного пара растворителя ΔР над раствором прямо пропорционально мольной доле растворенного вещества (Тв-ва) и давлению пара над чистым растворителем (Р0р-ля):
ΔР = Рор-ля ∙ Тв-ва
Повышение температур кипения ΔТк и температур замерзания ΔТз растворов прямопропорционально моляльным концентрациям растворенных в них веществ Сm:
- ΔТк = Е ∙ Сm, где Е — эбулиоскопическая константа;
- ΔТз = К ∙ Сm, где К — криоскопическая константа.
Осмотическое давление π рассчитывают по уравнению:
π = Р∙Е∙Хв-ва / Vр-ля, где Хв-ва — мольная доля растворенного вещества, Vр-ля — объем растворителя.
Значение растворов в обычной жизни любого человека сложно переоценить. Природная вода содержит растворенные газы — СО2 и О2, различные соли — NaCl, CaSO4, MgCO3, KCl и др. Но без этих примесей в организме мог бы нарушиться водно-солевой обмен и работа сердечно-сосудистой системы. Другим примером истинных растворов является сплав металлов. Это может быть латунь или ювелирное золото, но, главное, что после смешивания расплавленных компонентов и остывания полученного раствора образуется одна твердая фаза. Металлические сплавы применяют повсеместно, начиная со столовых приборов, и заканчивая электроникой.
