Образование раствора

Двухкомпонентные системы.

Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, состав которой может непрерывно изменяться в некоторых пределах без скачкообразного изменения её свойств. Раствор состоит из растворителя и растворенного вещества, равномерно распределенного в растворителе в виде молекул или ионов. Под растворителем обычно понимают то вещество, которое находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор в целом. Если агрегатное состояние веществ, составляющих раствор одинаковое, то растворителем называют то из них, которое преобладает в данной системе. Например, в 5% растворе сахара в воде сахар является растворенным веществом, а вода – растворителем. В целом понятия «растворитель» и «растворенное вещество» имеют до некоторой степени условный характер. Например, в концентрированных растворах различие между растворителем и растворимым веществом менее очевидно. Для 50%-ного раствора этанола и воды оба понятия становятся равноправными, а для раствора, в котором 95% спирта и 5% воды, вода должна быть растворенным веществом. Но для растворов электролитов вода всегда является растворителем, даже если ее и очень мало. Поэтому понятия «растворитель» и «растворенное вещество» целесообразно использовать в применении к разбавленным (неконцентрированным) растворам.

Раствор может иметь любое агрегатное состояние; соответственно их разделяют на твердые, жидкие и газообразные (последние обычно называют газовыми смесями). {Обычно компоненты раствора разделяют на растворитель и растворенное вещество. Как правило, растворителем считают компонент, присутствующий в растворе в преобладающем количестве. С термодинамической точки зрения это деление компонентов раствора не имеет смысла и носит поэтому условный характер.}

Одной из важнейших характеристик раствора является его состав, описываемый с помощью понятия концентрация раствора. Ниже дается определение наиболее распространенных способов выражения концентрации./

Молярная концентрация С – число молей n_В растворенного вещества в одном литре раствора.

Нормальная концентрация N – число молей эквивалентов растворенного вещества (равное числу молей n_В, умноженному на фактор эквивалентности f) в одном литре раствора.

Моляльная концентрация m – число молей растворенного вещества в одном килограмме растворителя.

Процентная концентрация ω – число граммов растворенного вещества в 100 граммах раствора. ω=mв-ва/mр-ра*100%.

Образование раствора является сложным физико-химическим процессом. Процесс растворения всегда сопровождается увеличением энтропии системы; при образовании растворов часто имеет место выделение либо поглощение теплоты. Теория растворов должна объяснять все эти явления. Исторически сложились два подхода к образованию растворов – физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, одним из основоположников которой был Д.И.Менделеев. Физическая теория растворов 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 рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного вещества (так, растворение бесцветного сульфата меди СuSО₄ в воде приводит к образованию окрашенного раствора, из которого выделяется не СuSО₄, а голубой кристаллогидрат СuSО₄·5Н₂О). Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.

В общем случае при растворении происходит изменение свойств и растворителя, и растворенного вещества, что обусловлено взаимодействием частиц между собой по различным типам взаимодействия: Ван-дер-Ваальсового (во всех случаях), ион-дипольного (в растворах электролитов в полярных растворителях), специфических взаимодействий (образование водородных или донорно-акцепторных связей). Учет всех этих взаимодействий представляет собой очень сложную задачу. Очевидно, что чем больше концентрация раствора, тем интенсивнее взаимодействие частиц, тем сложнее структура раствора. Поэтому количественная теория разработана только для идеальных растворов, к которым можно отнести газовые растворы и растворы неполярных жидкостей, в которых энергия взаимодействия разнородных частиц E_A-B близка к энергиям взаимодействия одинаковых частиц E_A-A и E_B-B. Идеальными можно считать также бесконечно разбавленные растворы, в которых можно пренебречь взаимодействием частиц растворителя и растворенного вещества между собой. Свойства таких растворов зависят только от концентрации растворенного вещества, но не зависят от его природы.

Растворение – физико-химический процесс, он включает в себя переход из одной фазы в другую (ф.п.) и сольватацию (взаимодействие веществ с растворителем).

DH = DHф.п.+ DHсольв.

DS = DSф.п. + DSсольв

При растворении кристаллических веществ в жидкостях DHф.п. > 0, DSф.п. > 0. Сольватация – процесс экзотермический (DHсольв < 0), поэтому теплота растворения м.б. различного знака. Сольватация – упорядочение системы, происходит упорядочение частиц, поэтому DSсольв < 0 (оно невелико по абсолютному значению, поэтому растворение обычно сопровождается увеличением энтропии.

При сольватации происходит изменение свойств растворенных веществ. Так, например, безводный сульфат меди бесцветен, а раствор имеет голубую окраску.

Образующиеся сольваты или гидраты могут быть настолько прочными, что при выделении растворенного вещества из раствора растворитель входит в состав растущего кристалла в химически связанном виде. Такие вещества называются кристаллогидратами.

Na₂SO₄·10H₂O – глауберова соль

CuSO₄·5H₂O – медный купорос

Объемные эффекты растворения: 1л С2Н5ОН + 1л Н2О → 1,93 л (25 С)

Смеси, процесс образования которых не сопровождается объемными и тепловыми эффектами, называются идеальными растворами.