ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТВОРОВ
Большая часть химических реакций осуществима лишь при растворении веществ в каком-либо растворителе. Процессы в растворах имеют ряд преимуществ: их протекание достаточно легко регулируется, замена одного растворителя другим позволяет получить материалы с новыми свойствами, жидкие растворы легко транспортировать, растворитель можно очистить и возвратить в производство, реакции в растворах чаще всего идут с большой скоростью.
Раствором называется многокомпонентная однофазная система переменного состава.
Различают растворы газообразные, жидкие и твердые. Газообразные растворы возникают в случае слабого взаимодействия молекул газов. Для таких систем характерно хаотическое движение молекул и отсутствие определенной структуры. Поэтому при обычных давлениях газовый раствор представляет собой физическую смесь, в которой каждый компонент проявляет свои индивидуальные свойства. Например, воздух содержит: 78% N2, 21% O2, 1% CO2, пары воды, инертные газы.
Общее давление, оказываемое газовой смесью, представляет собой сумму давлений составляющих его газовых частей, которые называются парциальными.
При высоких давлениях, особенно когда плотность газа становится сравнима с плотностью жидкости, образование газовых растворов сопровождается изменением объема и тепловым эффектом. В сжатых газах растворение веществ достигает значительных величин.
Твердые растворы – это растворы, образуемые веществами в твердом состоянии. Они играют большую роль в технике. Твердые растворы бывают двух типов: внедрения и замещения. Кроме того, различают непрерывные твердые растворы (компоненты растворяются друг в друге во всём интервале концентрации) и ограниченные твердые растворы (компоненты растворяются в узком интервале концентраций).
Наиболее распространены растворы различных веществ в жидкостях. Такого рода растворы состоят из растворителя и растворенного вещества. Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято считать растворителем (например, вода).
В случае же растворов, образующихся при смешении газа с газом, жидкости с жидкостью, твердого вещества с твердым, под растворителем понимают компонент, содержание которого в растворе преобладает.
Растворы можно различать по типу растворителя, например, растворы в протонных и апротонных растворителях.
Растворитель является протонным, если его молекулы способны отщеплять ион Н+(H2O, HCN). В общем случае такие вещества называют протогенными (рождающими протон). Протогенные вещества вступают в реакции с любыми веществами, присоединяющими протон и называемыми протофильными (любящими протон). Протонные растворители, как правило, являются сильно ассоциированными жидкостями за счет водородных связей между молекулами.
К апротонным (не образующим ион Н+) растворителям относятся бензол, ацетон, хлороформ, диоксан и др.
Наиболее сильно на свойствах растворов отражается такая физическая характеристика как диэлектрическая проницаемость. В средах растворителя с высокой диэлектрической проницаемостью идет электростатическая работа по разделению противоположно заряженных ионов растворяемого вещества. Поэтому растворители, состоящие из полярных молекул (HCl, NH3, H2O и др.) и характеризующиеся высокой диэлектрической проницаемостью, способствуют гетеролитическому разрыву связи между атомами растворенного вещества.
Гетеролитический разрыв связи – это такой разрыв, при котором электронная пара полностью переходит к более электроотрицательному атому, при этом образуются ионы:
А: В ↔ А++:В–.
В растворах с низкой диэлектрической проницаемостью в основном протекают реакции с гомолитическим разрывом связи. В этом случае электроны отталкиваются по одному к каждому из атомов и образуются свободные радикалы:
А: В ↔ А•+ В•.
В качестве чисто ионных растворителей можно использовать такие высокотемпературные системы, как расплавы солей.
По исходному фазовому состоянию растворяемого вещества – газообразного, жидкого или твердого – жидкие растворы делят на три группы:
а) жидкость + газ;
б) жидкость + жидкость;
в) жидкость + твердое вещество. Это самая большая группа растворов. Сюда относятся растворы большинства солей, щелочей и т.д.
Все растворы относятся к дисперсным (раздробленным) системам.
Дисперсные системы состоят из множества мелких частиц (кристалликов, капелек, пузырьков), распределенных в однородной среде. В зависимости от размера частиц дисперсные системы условно делят на грубодисперсные (взвеси), содержащие частицы размером более 1 мкм (10−3 мм), и тонкодисперсные (коллоидные системы), в которых частицы имеют размеры от 1 мкм до 1 нм (10−6 мм). Если размеры частиц не превышают 1 нм, то такие системы уже относят к истинным растворам.
Образование крошечных частиц в дисперсных системах может произойти, например, при измельчении твердого вещества или распылении жидкости. Другой путь образования таких систем - конденсация из еще более мелких частиц. Подобным образом в природе из переохлажденного водяного пара образуется туман. Возможно также образование дисперсных систем в результате химической реакции, если продукт реакции находится в агрегатном состоянии, отличном от агрегатного состояния реагентов. Так, при взаимодействии газообразных аммиака и хлороводорода образуется дым из твердых частиц хлорида аммония, а в результате реакции газообразного триоксида серы и водяного пара при температуре более 100 oС - туман из капелек серной кислоты.
Неоднородные смеси веществ с относительно большими размерами частичек называют взвесями. Со временем взвеси могут разрушаться из-за оседания частиц с более высокой плотностью (по сравнению с окружающей их средой) или за счет укрупнения частиц. Наиболее устойчивы взвеси с одинаковой плотностью образующих их веществ или с высокой вязкостью среды, препятствующей осаждению частиц.
Взвеси различаются по агрегатному состоянию образующих их веществ. Среда, в которой находятся частички вещества, может быть газообразной, жидкой или твердой. К смесям с газообразной средой относятся порошки, волокнистые материалы типа войлока, аэрозоли. Аэрозолями называют взвеси жидких или твердых частиц в газовой среде (обычно в воздухе). К аэрозолям относятся дым, туман, пыль, смог. В аэрозольной форме сжигается все жидкое и значительная часть твердого топлива. Аэрозольные препараты используют в медицине, бытовой химии, лакокрасочной промышленности.
Частицы твердого, жидкого или газообразного вещества, распределенные в жидкой среде, образуют суспензии, эмульсии или пены. Суспензии (от латинского " суспензио " - подвешивание) - взвеси твердых частиц в жидкой среде. Частицы твердого вещества в суспензиях обычно со временем выпадают в осадок или всплывают. Суспензии используют в медицине и в быту, в строительной технологии, в производстве лакокрасочных материалов, бумаги. Эмульсии - взвеси мелких капелек жидкости в другой, не смешивающейся с ней, жидкости. Это слово происходит от латинского " эмульсус " – «выдоенный», так как одной из первых изученных эмульсий было молоко. Эмульсиями являются многие лекарственные и косметические средства. Широко известны водоэмульсионные краски.
Твердые тела (стеклообразные или кристаллические) могут включать твердые частички, капельки жидкости или пузырьки газа. Например, рубиновые стекла окрашены мельчайшими частицами меди или золота. Такие материалы, как пенопласты, содержат пузырьки газа.
Дисперсные системы с предельно малыми частицами называют коллоидными системами. В отличие от истинных растворов, в таких системах имеются границы раздела между частицами вещества и окружающей их средой. Для краткости и по исторической традиции до сих пор используется термин " коллоиды " (клееподобные тела), введенный в 1861 г. Т. Грэмом. Он также применил термины "золь" для коллоидных растворов и "гель" - для студнеобразных коллоидных систем. Золь - жидкая коллоидная система (коллоидный раствор), в которой частицы вещества, состоящие из десятков и сотен молекул или ионов, свободно перемещаются в процессе броуновского движения. Золями могут быть и расплавы, при охлаждении которых образуются так называемые твердые золи, например, цветные стекла. Гель (от латинского " гело " - застываю) - коллоидная система, в которой частицы образуют пространственную структуру (сетку). Хотя в большинстве гелей твердые частицы распределены в жидкой среде, они обладают некоторыми признаками твердых тел: способностью сохранять форму, твердостью, пластичностью.
Коллоидные системы с жидкой или газовой средой довольно устойчивы: оседанию частиц препятствует броуновское движение. Для того, чтобы не допустить разрушения коллоидных систем, используют введение веществ-стабилизаторов, которые препятствуют объединению мелких частиц.
Дисперсные системы повсеместно распространены в природе. К ним относятся горные породы, грунты, почвы, атмосферные осадки, растительные и животные ткани. Они используются во многих технологических процессах. Именно в виде дисперсных систем выпускается большинство промышленных продуктов и предметов бытового потребления.
