Поняття про розчини. Класифікація розчинів

Розчинами називають гомогенну систему, що складається з двох або більшої кількості компонентів та продуктів їх взаємодії. Розчини бувають газуватими, рідкими й твердими. Найбільше практичне значення для біології та медицини мають рідкі розчини, оскільки в них відбувається більшість реакцій.

Компонентами розчину називають розчинник і розчинені в ньому речовини. Роз­чинник — це середовище, в якому розчинені речовини рівномірно розподілені у ви­гляді молекул або йонів. Розчинником прийнято вважати компонент, агрегатний стан якого не змінюється під час утворення розчину або вміст якого перевищує вміст інших компонентів. Поняття розчинник і розчинена речовина умовні. Наприклад, у разі змішування чистої води та твердої речовини солі утворюється рідкий розчин. У цьому разі розчинником є вода. Якщо обидва компоненти до розчинення перебували в одному агрегатному стані, то розчинником вважають компонент, взятий у більшій кількості, а якщо їх об'єми однакові, то немає значення, який із компонентів називати розчинником, а який — розчиненою речовиною.

Класифікація розчинів. Розчини класифікуються за низкою ознак:

1. Залежно від природи розчинника розчини поділяють так:

 

 

2. Залежно від концентрації йонів Гідрогену розчини можуть бути:

 

 

Розчини

3. Залежно від агрегатного стану розчинника та розчиненої речовини розчини поділяють так:

 

 

 

Прикладом газоподібних розчинів є повітря. Воно складається з азоту, кисню, карбон (IV) оксиду, водяної пари та благородних газів. Молекули цих речовин, неза­лежно від їх походження, поводять себе як молекули газу, тобто повітря є гомоген­ною системою.

До твердих розчинів належить більшість металічних сплавів. Сталь, наприклад, є кристалічним розчином вуглецю в залізі.

Найпоширенішими і найбільш вивченими є рідкі водні розчини. Це пояснюється тим, що більшість хімічних реакцій відбуваються у водних розчинах, оскільки лише в них є сприятливі умови для переміщення та тісного зближення частинок, яке не­обхідне для виявлення хімічних сил. Важливу роль відіграють розчини у життєдіяль­ності живих організмів. Процеси засвоєння їжі людиною, твариною та рослиною по­в'язані з переходом харчових речовин у розчин. Розчинами є життєво важливі фізіо­логічні рідини — кров, лімфа тощо. Велике значення мають розчини у фармацев­тичній практиці. Вони є найбільшою групою серед лікарських форм. Як лікарська форма розчини мають низку переваг: вони порівняно з іншими лікарськими формами швидше всмоктуються в організмі людини, відповідно швидше досягається лікуваль­ний ефект; розчини не подразнюють слизові оболонки; зручні для вживання; техно­логія їх приготування та дозування відрізняється простотою.

Рідкі розчини можна одержати розчиненням газу в рідині (наприклад, газована вода є розчином карбон (IV) оксиду у воді), рідини в рідині (розчин спирту у воді), твердої речовини в рідині (розчин солі у воді) тощо.

 

Розчини

Концентровані

Розбавлені

4. Залежно від концентрації розчиненої речовини розчини поділяють так:

 

Розбавлений розчин містить досить малу масу розчиненої речовини порівняно з масою розчинника (наприклад, у 100 г води розчинено 5 г хлороводню). Розчин, що містить 36,5 г хлороводню в 100 г води, вважають концентрованим. Однак межі між розбавленими та концентрованими розчинами умовні. Наприклад, для сульфатної кислоти концентрованим вважають розчин, що містить 96 г H₂SO₄, для нітратної — 63 г HNО₃, для хлоридної — 37г НСl у 100 г води.

Поняття про розчинність

Здатність речовин розчинятися в тому чи іншому розчиннику за певних умов на­зивають розчинністю. Якщо достатню кількість кристалічної речовини, яка розчи­няється, внести у певну кількість розчинника, то в такій системі водночас відбува­ються два взаємно протилежних процеси: від поверхні кристалів речовини, що розчи­няється, відриваються окремі молекули або йони. Завдяки дифузії останні рівномірно розподіляються в усьому об'ємі розчинника. Одночасно з розчиненням відбувається зворотний процес — кристалізація. Частинки розчиненої речовини, що перейшли врозчин, притягуються поверхнею речовини, яка ще не розчинилася, і кристалізують­ся. Швидкості розчинення та кристалізації залежать від концентрації розчину. Оче­видно, у перший момент швидкість розчинення перевищує швидкість кристалізації. Однак у міру збільшення концентрації розчиненої речовини в розчині зростає швид­кість кристалізації й настає момент, коли швидкості розчинення та кристалізації ста­ють однаковими:

υ_розч = υ_крист.

У системі встановлюється динамічна рівновага, за якої за одиницю часу розчи­няється стільки молекул, скільки їх виділяється з розчину.

Розчин, який перебуває в рівноважному стані з речовиною, що розчиняється, називають насиченим розчином. Інакше кажучи, це розчин, в якому певна речовина за певної температури більше не розчиняється.

Концентрацію розчиненої речовини в насиченому розчині за певної температури називають розчинністю. Розчинність чисельно виражають у молях на літр (моль/л), або грамах на літр (г/л). Часто розчинність виражають у грамах безводної речовини, яка насичує 100 г розчинника за заданої температури. Виражену таким чином роз­чинність називають коефіцієнтом розчинності. Наприклад, при 20 °С у 100 г води розчиняється 35,9 г натрій хлориду, 31,6 г калій нітрату, 0,16 г кальцій гідроксиду. Відповідно коефіцієнти розчинності цих сполук становлять 35,9, 36,1 та 0,16. Як ви­пливає з наведених значень коефіцієнтів розчинності, за даних умов найменш роз­чинною речовиною є кальцій гідроксид, а найбільш розчинною — натрій хлорид.

Таким чином, концентрація насиченого розчину є кількісною характеристикою здатності речовин розчинятися у певному розчиннику за заданої температури.

Якщо в 100 г води розчиняється понад 10 г речовини, таку речовину називають добре розчинною; якщо розчиняється менш як 1 г речовини — малорозчинною; якщо розчиняється менше як 0,01 г речовини — практично нерозчинною.

Фактори, що впливають на розчинність. Розчинність речовин залежить від природи розчинника і речовини, яка розчиняється, а також від умов розчинення (тем­ператури, тиску, концентрації, наявності інших розчинених речовин). До цього часу немає наукової теорії, яка давала б можливість вивести загальні закони розчинення. Зазвичай користуються практично встановленим правилом «подібне розчиняється в подібному». Це означає, що речовини, для яких характерні йонний або полярний типи зв'язку, краще розчиняються у полярних розчинниках (вода, спирт, рідкий амоніак, оцтова кислота тощо). Навпаки, речовини з неполярним або малополярним типом зв'язку добре розчиняються в неполярних розчинниках (ацетон, сірковуглець, бензол тощо).

Розчинність твердих речовин у рідинах. Під час розчинення твердих речовин значна кількість енергії витрачається на руйнування кристалічної ґратки, тому роз­чинність більшості твердих речовин зростає з підвищенням температури. Однак є тверді речовини, розчинність яких практично не змінюється або навіть зменшується з підвищенням температури. Прикладом перших є натрій хлорид, других — сульфат і гідроксид кальцію.

Розчинність твердих речовин залежно від тем­ператури прийнято зображати графічно у вигляді кривих розчинності (рис. 1.12). Ці криві будують за експериментальними даними; на осі абсцис від­кладають температуру, а на осі ординат — роз­чинність т, г/100 г Н₂О. За кривими розчинності можна зробити висновок про розчинність речо­вин. Так, хід кривих розчинності нітратів аргентуму, калію та плюмбуму свідчить про те, що з підвищенням температури розчинність цих речо­вин істотно зростає. Майже горизонтальний хід кривої розчинності натрій хлориду свідчить про незначну зміну його розчинності з підвищенням температури.

Розчинність більшості твердих речовин змен­шується зі зниженням температури, тому під час охолодження гарячих насичених розчинів надли­шок розчиненої речовини виділяється у вигляді кристалів.

Виділення речовини під час охолодження на­сиченого розчину називають кристалізацією (перекристалізацією). Кристалізацію з розчинів або перекристалізацію широко застосовують для очищення речовин, які розчиняються у воді чи інших розчинниках. У разі обережного та повільного охолодження насиченого роз­чину кристалізація може не відбутися. У цьому випадку одержують розчин, що містить значно більшу масу розчиненої речовини, ніж її може розчинитися до утво­рення насиченого за даної температури розчину. Такий розчин називають пересиче­ним. Пересичені розчини — нестійкі системи. У разі струшування розчину, потрап­ляння в нього пилу або добавляння кристалів розчиненої речовини відбувається миттєва кристалізація. Пересичені розчини легко утворюють хлорид, сульфат і кар­бонат натрію, натрію тетраборат (бура) тощо.

Розчинність рідин у рідинах може бути повною чи обмеженою. Більш пошире­ною є обмежена розчинність. У разі повної взаємної розчинності рідини змішуються в будь-яких співвідношеннях (спирт — вода). Рідини з обмеженою взаємною роз­чинністю завжди утворюють два шари. Прикладом системи з обмеженою розчин­ністю є система анілін — вода. При змішуванні цих рідин завжди існує два шари: верхній шар складається в основному з води і містить анілін у невеликих кількостях (приблизно 13 %), нижній шар, навпаки, складається переважно з аніліну і містить близько 5 % води. Підвищення температури призводить до збільшення взаємного розчинення рідин.

Температуру, за якої обмежена взаємна розчинність рідин переходить у необме­жену, називають критичною температурою розчинення. Для системи анілін — вода вона дорівнює 168 °С.

Правило «подібне розчиняє подібне» часто використовують для взаємного розчи­нення рідин. У полярних розчинниках добре розчиняються рідини з полярним типом зв'язку (спирти добре розчиняються у воді, спиртах тощо), а в неполярних — з непо­лярним (вуглеводні — у вуглеводнях, йод — у бензолі, спирті).

Тиск, як правило, не впливає на взаємне розчинення рідин, оскільки розчинність рідин не супроводжується значною зміною об'єму.

Розчинність газів у рідинах досить різна. На неї значною мірою впливають тем­пература і тиск. Розчинність газів у воді є екзотермічним процесом (супроводжується виділенням теплоти), тому з підвищенням температури розчинність газів змен­шується (табл. 1.2). Так, кип'ятінням води можна видалити з неї розчинені гази.

Таблиця 1.2. Розчинність деяких газів у воді за тиску 101,3 кПа залежно від температури

Газ	Розчинність, л/1 л Н2О за температури
	0°С	20 °С	60 °С	100 °С
Н2 О2 СО2 NH3	0,021 48 0,048 84 1,713	0,018 19 0,031 03 0,878	0,016 00 0,019 46 0,359 -	0,016 00 0,017 20 - -

 

Розчинення газів в органічних розчинниках часто супроводжується поглинанням теплоти, у таких випадках розчинність газів зростає з підвищенням температури.

Залежність розчинності газів від тиску виражають законом Генрі — Дальтона (1803): розчинність газу в рідині прямо пропорційна парціальному тиску цього газу над рідиною. Закон Генрі — Дальтона виражають рівнянням

т = кр,

де т — маса газу в насиченому розчині; р — парціальний тиск газу над рідиною;

к — коефіцієнт пропорційності, який називають константою (коефіцієнтом) Генрі.

Розчинність газів у рідинах найчастіше виражають об'ємом газу в мілілітрах, який розчиняється в 100 мл розчинника за температури 0 °С (273 К) і тиску 101,325 кПа.

Закон Генрі—Дальтона; стосується лише дуже розбавлених розчинів за порівняно невисокого тиску і відсутності хімічної взаємодії молекул газів, що розчиняються, з розчинником або один з одним.