Исторически сложились два подхода к образованию растворов – физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, основоположником которой был Д.И. Менделеев.
Физическая теория растворов- предложена Вант-Гоффом во второй половине XIX века (1850 г.). рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).
Химическая теория - более точное название – сольватная (гидратная) – разработана Д.И.Менделеевым (1887 г.), рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией) (ΔН ¹ 0, ΔV ¹ 0), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного.Согласно этой теории, между молекулами компонентов существует взаимодействие, приводящее к образованию нестойких соединений, частиц растворённого вещества с молекулами растворителя. Эти соединения получили название сольватов, а в случае водных растворов – гидратов.
|
|
Сольваты, гидраты нельзя рассматривать как химические соединения, так как состав их непостоянен, он изменяется в зависимости от концентрации раствора и температуры; число молекул растворителя, связанных с молекулами растворённого вещества с повышением Т уменьшается, а понижение концентрации, в общем, влияет в обратном направлении.
Часто образующиеся гидраты могут быть очень прочными, и их можно выделить из раствора в кристаллическом состоянии. Такие кристаллы, содержащие в связанном виде молекулы H2O, называются кристаллогидратами. Воду из них можно выделить при сильном нагревании – прокаливании.
Под сольватацией понимают совокупность энергетических и структурных изменений, происходящих в растворе.
Сольваты (гидраты) образуются за счет донорно-акцепторного, ион-молекулярного взаимодействия, за счет водородных связей, а также дисперсионного взаимодействия Сольватация состоит в том, что молекула растворенного вещества оказывается окруженной сольватной оболочкой, состоящей из более или менее тесно связанных с ней молекул растворителя..
Различают ближнюю и дальнюю сольватации, выделяя первичную и вторичную сольватные оболочки. В первичную сольватную оболочку входят молекулы растворителя, находящегося в непосредственной близости к частице и совершающие движение в растворе вместе с ней. Число молекул растворителя в первичной сольватной оболочке называют координационным числом сольватации.
|
|
Во вторичную сольватную оболочку входят молекулы растворителя, находящиеся на больших расстояниях от частицы растворенного вещества, но не ориентированные вокруг частицы определенным образом.
Время жизни сольватов определяется характером и интенсивностью межмолекулярных взаимодействий; даже в случае сильного взаимодействия время жизни отдельного сольвата мало из-за непрерывного обмена частицами в сольватной оболочке.
Важнейшие термодинамические характеристики сольватации:
энтальпия сольватация H c и энергия Гиббса сольватация (свободная энергия сольватация) G c, связанные соотношением: G c= H c- Т S c,
где S c- энтропия сольватация, T -аб сольватация температура.
Энтальпия сольватация определяет тепловой эффект внедрения молекулы растворенного вещества в растворитель;
энергия Гиббса сольватация определяет растворимость вещества.
Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной. Кристаллогидратами являются многие природные минералы. Ряд веществ (в том числе и органические) получаются в чистом виде только в форме кристаллогидратов. Так, известны твердые кристалогидраты:
- CuSO4 · 5H2O - пентагидрат сульфата меди(II)
- Na2CO3 · 10H2O - декагидрат карбоната натрия
§ KAl(SO4)2 · 12H2O - додекагидрат сульфата алюминия-калия