Дисперсные системы и растворы

Глава 8. Образование и концентрация растворов

Раздел 4 Растворы

Лекция 7

Если в каком-либо веществе (среде) распределено в виде мелких частиц другое вещество, то такая система называется дисперсной (ДС) (диспергировать - значит измельчать).

В зависимости от агрегатного состояния распределяемого вещества и среды различают девять типов ДС (газ-жидкость; газ-тв.; жидкость-жидкость и т.д.). Наибольшее значение для химии имеют ДС, в которых средой является жидкость.

Свойства ДС (их устойчивость) сильно зависят от размеров распределенных частиц.

а) Взвеси - размер частиц 10^-3-10^-5 см. Взвеси - очень непрочные, гетерогенные системы, а распределенное вещество самопроизвольно выпадает в осадок или поднимается вверх. Это - грубодисперсные системы, которые обычно бывают в виде суспензий (тв. частицы в жидкостях, например, взвесь глины в воде) либо в виде эмульсий (жидкие частицы вещества в жидкой среде при сохранении гетерогенности, например масляные эмульсии в воде, молоко).

б) Коллоидные растворы - размер частиц 10^-5-10^-7 см. Примером коллоидных ДС служат растворы клея и желатины. Коллоидные растворы можно отличить от истинных тем, что их частицы сильно рассеивают проходящий через них свет и делают заметным путь пропущенного светового луча (эффект Тиндаля).

в) Истинные растворы - размер частиц 10^-7-10^-8 см, то есть диспергирование на атомно-молекулярном уровне. Во многих случаях (кроме пересыщенных растворов) это гомогенные, устойчивые ДС, не разделяющиеся при сколь угодно долгом стоянии. Примеры истинных растворов – водные растворы многих солей, кислот, оснований, спиртов; морская вода и другие.

В химии наибольшее практическое значение имеют равновесные истинные растворы. Растворы - это однофазные многокомпонентные системы, состав которых можно изменять в широких пределах без изменения однородности. Они устойчивы, их разделение возможно только путем испарения, кристаллизации или с помощью химической реакции; в их объеме свет не рассеивается (они оптически пусты).

Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято считать растворителем; если агрегатные состояния одинаковы, то растворителем обычно называют вещество, которое находится в большем количестве.

Растворы классифицируются по различным признакам: по агрегатному состоянию - твердые (многочисленные сплавы), жидкие (морская вода), газообразные (воздух-раствор О₂, паров воды и благородных газов в азоте); по электролитической диссоциации растворённого вещества (электролиты и неэлектролиты); по составу растворителя (водные, аммиачные, бензольные и др.); по отношению к равновесию раствор - растворимое вещество (насыщенные, ненасыщенные, пересыщенные); по концентрации (разбавленные и концентрированные).

В создании современной физико-химической теории растворов большую роль сыграли работы русских ученых Д.И. Менделеева,
И.А. Каблукова, К.П. Мищенко и др. Растворы изучали также химики, работавшие в Томском политехническом университете в начале его существования (1900 – 1920 г.г.) Д.П. Турбаба, Е.В. Бирон, Я.И. Михайленко и др. Еще в конце ХIХ века растворы считались физическими смесями двух или нескольких веществ, в которых отсутствовало какое-либо взаимодействие между растворенным веществом и растворителем. Химические явления при образовании растворов впервые были изучены в работах Д.И. Менделеева.

На основе экспериментальных фактов он выдвинул предположение о существовании в растворах определенных химических соединений растворенного вещества с молекулами растворителя (сольватов или гидратов в случае, если растворитель - вода).

Явление гидратации (образование гидратов) можно наблюдать, не пользуясь специальными приборами. Так, безводный сульфат меди - белое вещество - при растворении в воде образует голубой раствор. Окраска обусловлена гидратированными ионами Cu²⁺·nH₂O. Иногда связи между ионами растворенного вещества и молекулами растворителя настолько прочные, что при испарении избытка растворителя образуются соответствующие кристаллосольваты (кристаллогидраты), которые, как это доказано различными способами, являются твердыми сольвокомплексами (аквакомплексами) - CuSO₄·5H₂Oº[Cu(H₂O)₅]SO₄; FeCl₃·6H₂O º [Fe(H₂O)₆]Cl₃; BeCl₂·4H₂O º [Be(H₂O)₄]Cl₂.

В данном разделе будут рассмотрены лишь некоторые истинные растворы, а именно жидкие растворы, которые имеют наибольшее значение в химии. Газовые растворы (воздух) имеют простое строение, подчиняются газовым законам, свойства их аддитивны, то есть являются суммой свойств отдельных компонентов. Твердые растворы, например сплавы, рассматриваются при изучении металлов.