Идеальные и реальные растворы. Растворение как физико-химический процесс

Глава 7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ И НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ

 

Механизм образования растворов и их классификация

 

Растворами называются гомогенные системы, содержащие не менее двух веществ. Как правило, вещество взятое в избытке и в том же агрегатном состоя­нии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компо­нент, взятый в недостатке – растворенным веществом.

В зависимости от агрегатного состояния растворителя разли­чают газообразные, жидкие и твердые растворы.

Газообразными растворами являются воздух и другие смеси га­зов.

К жидким растворам относят гомогенные смеси газов, жидко­стей и твердых тел с жидкостями.

Твердыми растворами являются многие сплавы, а также стекла.

Наибольшее значение имеют жидкие смеси, в которых растворите­лем является жидкость. Наиболее распространенным растворителем из неорганических веществ, конечно же, является вода. Из органи­ческих веществ в качестве растворителей используют метанол, этанол, диэтиловый эфир, ацетон, бензол, четыреххлористый угле­род и др.

В процессе растворения частицы (ионы или молекулы) раство­ряемого вещества под действием хаотически движущихся частиц растворителя переходят в раствор, образуя в результате беспорядоч­ного движения частиц качественно новую однородную систему. Способность к образованию растворов выражена у разных ве­ществ в различной степени. Одни вещества способны смешиваться друг с другом в любых количествах (вода и спирт), другие – в ог­раниченных (хлорид натрия и вода).

По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор или удаляющихся из раствора, различают растворы насы­щенные, ненасыщенные и пересыщенные. По относительным коли­чествам растворенного вещества и растворителя растворы подразде­ляют на разбавленные и концентрированные.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного веще­ства – ненасыщенным.

Насыщенный раствор содержит максимально возможное (для данных условий) количество растворенного вещества. Следователь­но, насыщенным раствором является такой раствор, который нахо­дится в равновесии с избытком растворенного вещества.

Раствор, содержащий растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, называется пересыщенным. Пересыщенные растворы представляют собой не­устойчивые, неравновесные системы, в которых наблюдается само­произвольный переход в равновесное состояние. При этом выделя­ется избыток растворенного вещества и раствор становится насыщенным. Насыщенный и ненасыщенный растворы нельзя пу­тать с разбавленным и концентрированным. Разбавленные растворы – растворы с небольшим содержанием растворенного вещества; концентрированные растворы – растворы с большим содержанием растворенного вещества.

В зависимости от того, электронейтральными или заряженными частицами являются ком­поненты раствора, их подразделяют на молекулярные (растворы не­электролитов) и ионные (растворы электролитов). Одна из харак­терных особенностей растворов электролитов заключается в том, что они проводят электрический ток.

 

Известны две основные теории растворов: физическая и химиче­ская.

Физическая теория растворов предложена Вант-Гоффом и Аррениусом. Со­гласно этой теории, растворитель рассматривается как химически индифферентная среда, в которой равномерно распределены час­тицы (молекулы, ионы) растворенного вещества. При этом пред­полагается отсутствие межмолекулярного взаимодействия как ме­жду частицами растворенного вещества, так и между молекулами растворителя и частицами растворенного вещества. Частицы рас­творителя и растворенного вещества вследствие процессов диффу­зии перемешиваются и равномерно распределяются по всему объ­ему раствора. Физическая теория удовлетвори­тельно описывает поведение лишь малой группы растворов, так на­зываемых идеальных растворов, в которых частицы растворителя и частицы растворенного вещества действительно практически не взаимодействуют между собой. Примерами идеальных растворов являются многие газовые растворы. Не реагирующие между собой газы смешиваются друг с другом в неограниченных соотношениях. Газовые смеси подчиняются газо­вым законам, как и индивидуальные газы. Физические свойства та­кой смеси (плотность, теплоемкость, давление и др.) вычисляются как аддитивные (сложение) из свойств компонентов, ее составляющих.

Например, по закону Дальтона общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений ее компонентов:

Р_общ = Р₁ + Р₂ + …+ Р_n

где Р_общ – общее давление газовой смеси; Р₁, Р₂, ... , Р_n – парци­альные давления компонентов 1, 2, ..., п. Парциальным давлением данного газа в смеси называют давление, которое производил бы газ, если бы он занимал объем смеси.

Химическая или сольватная теория растворов предложена Д.И. Менделеевым. Суть этой теории состоит в том, что между частицами раство­ренного вещества и молекулами растворителя происходит взаимо­действие, в результате которого образуются нестойкие соединения переменного состава называемые сольватами или гидратами, если растворителем является вода. Главную роль в образовании сольватов играют непрочные межмолекулярные силы и, в частности, водо­родная связь.

Иногда гидратная вода настолько прочно связана с растворен­ным веществом, что при выделении его из раствора входит в состав его кристаллов. Кристаллические вещества, содержащие в своем составе воду, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в структуру таких кристаллов, называется кристаллизационной. Так, кристаллогидрат сульфата ме­ди (медный купорос) СuSO₄·5H₂O (синего цвета), СоСl₂·6H₂O (розово-красного цвета), СоСl₂·4H₂O (красного цвета), СоСl₂·2H₂O (сине-фиолетового), СоСl₂·H₂O (темно-синего).

Довольно часто растворяемое вещество может и хи­мически взаимодействовать с растворителем, например хлор, рас­творяясь реагирует с водой (хлорная вода)

Сl₂ + Н₂О НСl + НОСl

Аммиак, растворяясь в воде, одновременно образует гидрат аммиака:

NH₃ + H₂O NH₃·H₂O NH₄⁺ + OH^–

Как правило, при растворении поглощается или выделяется теп­ло и происходит изменение объема раствора. Объясняется это тем, что при растворении вещества происходят два процесса: разрушение структуры растворяемого вещества и взаимодействие частиц рас­творителя с частицами растворенного вещества. Оба эти процесса сопровождаются различными изменениями энергий. Так, при растворении серной кислоты в воде выделяется значительное количество теплоты, аналогичное явление наблюдается при раство­рении в воде безводного сульфата меди (экзотермические реакции). При растворении в воде нитрата калия или нитрата аммония темпе­ратура раствора резко понижается (эндотермические процессы), а при растворении в воде хлорида натрия температура раствора прак­тически не меняется.

Таким образом, растворы занимают промежуточное положе­ние между химическими соединениями и смесями. С одной стороны растворы, как и химические соединения, однородны. Образование растворов сопровождается, как правило, тепловым эффектом, что свидетельствует о взаимодействии растворенного вещества с моле­кулами растворителя. С другой стороны, в растворах нет строгого стехиометрического соотношения между растворенным веществом и растворителем.