7.1. Определение понятия «растворы» и их классификация: по агрегатному состоянию, размерам частиц, природе растворителя, содержанию растворенного вещества

Растворы – это гомогенные системы, состоящие из двух или более компонентов и продуктов их взаимодействия. Один из этих компонентов является растворителем, остальные – растворенными веществами.

• По агрегатному состоянию можно выделить:

1. твердые,

2. жидкие,

3. газообразные растворы.

Среди них наиболее распространены жидкие растворы, которые в свою очередь могут быть трех видов:

1. твердое в жидкости (раствор сахара в воде),

2. жидкость в жидкости (раствор серной кислоты в воде),

3. газ в жидкости (раствор кислорода в воде).

• По размерам частиц растворенного вещества растворы подразделяют на:

1. истинные (размер частиц < 1•10^–9 м) ,

2. коллоидные (размер частиц от 1•10^–9 до 1•10^–7 м).

Отдельно выделяют суспензии, в которых размер частиц растворенного вещества > 1•10^–7 м.

• В зависимости от природы растворителя выделяют:

1. водные растворы (растворитель – вода),

2. неводные растворы (растворители – бензин, эфир, бензол, толуол и т.д.).

• По количеству растворенного вещества растворы подразделяют на:

1. ненасыщенные,

2. насыщенные,

3. пересыщенные.

В ненасыщенном растворе при данных условиях может раствориться еще какое-то количество вещества; в насыщенном растворе содержится ровно столько вещества, сколько его может раствориться при данных условиях; пересыщенный раствор (в нем содержание растворенного вещества выше растворимости) готовят путем охлаждения насыщенного раствора. Пересыщенные растворы неустойчивы, при их хранении избыток растворенного вещества выпадает в осадок, и раствор становится насыщенным.

7.2. Сущность процесса растворения

Растворение – сложный физико-химический процесс. Физическая его часть – это разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворителя. Химическая сторона процесса растворения – взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества. В результате этого взаимодействия образуются сольваты – продукты переменного состава.

Частный случай сольватов – гидраты (если растворителем является вода). Процесс образования сольватов называется сольватацией, процесс образования гидратов – гидратацией.

Гидраты некоторых веществ можно выделить в кристаллическом виде при выпаривании растворов. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называют кристаллогидратами: СuSО₄•5H₂О (медный купорос), FeSО₄•7Н₂О (железный купорос), Nа₂SO₄•10H₂О (глауберова соль), Nа₂CO₃•10H₂О (кристаллическая сода).

Впервые идею о химическом характере процесса растворения высказал Д.И.Менделеев в разработанной им химической (гидратной) теории растворов (1887). Доказательством физико-химического характера процесса растворения являются тепловые эффекты при растворении (выделение или поглощение теплоты).

Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эффектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический – с выделением. Если в результате сольватации выделяется больше теплоты, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества, то растворение – экзотермический процесс (растворение NаОН, АgNО₃, Н₂SО₄). Если при сольватации выделяется меньше теплоты, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества, то растворение – эндотермический процесс (растворение NаNО₃, КCl, NН₄Сl).

7.3. Растворимость различных веществ. Зависимость растворимости от внешних факторов

Растворимость – величина, показывающая, сколько граммов вещества может раствориться в 100 г растворителя при данных условиях (или в 1000 мл растворителя).

По растворимости в воде все вещества делятся на:

• хорошо растворимые (более 10 г вещества на 1 л воды),

• малорастворимые (от 0,01 г до 10 г вещества на 1 л воды),

• практически нерастворимые (менее 0,01 г вещества на 1 л воды).

Растворимость веществ зависит от природы растворителя, природы растворенного вещества, температуры и давления (для газов).

• Растворимость большинства твердых веществ при повышении температуры увеличивается.

• Растворимость газов при повышении температуры уменьшается, а при повышении давления увеличивается.

7.4. Способы выражения концентрации растворов (массовая доля, объемная доля, молярная концентрация и др.)

Зная растворимость вещества при данных условиях, легко рассчитать его массовую долю в растворе, и наоборот.

Пример 1. Растворимость KNO₃ при 30 °С составляет 450 г в 100 г воды. Отсюда массовая доля равна:

Пример 2. При 30 °C Ꞷ (KNO₃) = 81,8%. Следовательно, в 100 г раствора содержится 81,8 г KNO₃и 18,2 г H₂O. Составим пропорцию:

81,8 г KNO₃ – 18,2 г Н₂О,

х г KNO₃ – 10 г Н₂О.

Отсюда растворимость соли KNO₃ х = 450 г в 100 г H₂O.

К основным типам выражения концентрации растворов можно отнести массовую долю, объемную долю и молярную концентрацию.

Массовой долей Ꞷ растворенного вещества называется отношение массы растворенного вещества к массе раствора:

Объемной долей j растворенного вещества называется отношение объема вещества к объему всего раствора:

Молярной концентрацией с называется отношение количества растворенного вещества (в моль) к объему раствора (в л):

Помимо перечисленных основных типов выражения концентрации растворов существуют и другие.

Мольная доля N – отношение количества растворенного вещества к сумме количеств всех веществ, находящихся в растворе:

Моляльная концентрация, или моляльность, m – отношение количества растворенного вещества к массе растворителя:

Нормальность н. или эквивалентная концентрация с_н – отношение числа эквивалентов Э растворенного вещества к объему раствора:

Массовая концентрация γ – отношение массы растворенного вещества к объему раствора:

Титр раствора Т – масса растворенного вещества (г), содержащаяся в 1 мл раствора:

7.5. Значение растворов

Растворы имеют огромное биологическое значение, поскольку являются средой для протекания сложных физико-химических процессов в живых организмах.

Растворами являются физиологические жидкости:

• плазма крови,

• лимфа,

• желудочный сок и др.

В медицине применяют водные растворы солей, которые по составу соответствуют плазме крови (физиологический раствор). Многие медицинские препараты являются растворами различных веществ в воде или спирте.

Велико также значение растворов в быту, промышленности и в технике.