Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, находящиеся в состоянии химического равновесия и состоящие из двух и более компонентов.
С другой стороны растворы – это дисперсные системы, в которых частицы одного вещества равномерно распределены среди частиц другого вещества.
РАСТВОРЫ
(по степени дисперсности)
истинные растворы тонкодисперсные р-ры грубодисперсные р-ры
(коллоидные растворы)
Истинные растворы содержат частицы менее 1 нм – это растворы кислот, оснований, солей. В истинных растворах не менее двух компонентов – растворитель и растворенное вещество. Растворителем считают тот компонент, который существует в чистом виде, что и раствор.
Тонкодисперсные или высокодисперсные (или коллоидные) растворы или системы содержат частицы размером от 1 до 100 нм - это типичные золи, гели.
Грубодисперсные растворы или системы содержат частицы размером более 100 нм – это суспензии, эмульсии, взвеси и др.
Тонко- и грубодисперсные системы являются гетерогенными системами. В таких системах совокупность распределенных частиц называется дисперсной фазой, а фазу, в которой распределены частицы называют дисперсной средой.
По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими, газообразными и твердыми.
По способности распадаться (диссоциировать) на ионы в растворах или расплавах растворы делятся на электролиты и неэлектролиты.
По количеству растворенного вещества на долю растворителя растворы делятся на концентрированные и разбавленные.
Растворимость – это свойство вещества растворяться в воде или другом растворителе. По растворимости в воде все вещества делятся на три группы: 1) хорошо растворимые; 2) малорастворимые и 3) практически нерастворимые. Следует сказать, что абсолютно нерастворимых веществ нет. Растворимость в первую очередь зависит от природы растворенного вещества, а также от температуры и давления. Сам процесс растворения обусловлен взаимодействием частиц растворенного вещества и растворителя, это процесс самопроизвольный.
Кроме того, растворы могут быть насыщенными, ненасыщенными и пересыщенными.
Насыщенные растворы – это растворы, которые находятся в динамическом равновесии с избытком растворяемого вещества.
Ненасыщенные растворы содержат меньше вещества, чем в насыщенные, а в пересыщенные соответственно больше.
Наибольшую роль играют жидкие растворы.
РАСТВОРЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ
Неэлектролиты – это вещества, которые в растворе не распадаются на ионы (это большинство органических соединений). Т.о. между частицами в таких растворах не происходят никакие взаимодействия. С другой стороны сильно разбавленные растворы также характеризуются отсутствием взаимодействия между частицами растворенного вещества и растворителя. Поэтому свойства разбавленных растворов не зависят от природы растворенного вещества, а зависят только от числа частиц в единице объема раствора, т.е. от их концентрации.
Коллигативными свойствами называются свойства растворов, не зависящие от природы частиц растворенного вещества, а зависящие только от их концентрации. Такими свойствами являются: скорость диффузии, осмотическое давление, давление насыщенного пара растворителя над раствором, температура замерзания (кристаллизации) раствора и температура кипения.
Диффузией в растворе называется самопроизвольный направленный процесс переноса частиц растворенного вещества и растворителя, который осуществляется при наличии градиента концентрации растворенного вещества и приводит к выравниванию концентрации этого вещества по всему объему раствора. Причина диффузии с термодинамической точки зрения является стремление системы в максимально энтропии. Количество вещества, переносимого за счет диффузии через единичную площадь поверхности в единицу времени, называется скоростью диффузии. Скорость диффузии прямо пропорциональна температуре и разности концентраций по обе стороны поверхности, через которую осуществляется диффузия, но скорость диффузии при этом обратно пропорциональна вязкости среды и размеру частиц.
В случае, когда на пути диффундирующих частиц растворенного вещества и растворителя находится мембрана с избирательной проницаемостью, через которую свободно проходят молекулы растворителя, а молекулы растворенного вещества практически не проходят называется осмосом. А появляющееся избыточное гидростатическое давление в такой системе, обусловленное осмосом, называется осмотическим давлением. В.Пффефер и Я. Вант-Гофф установили зависимость осмотического давления (Росм.) от внешних факторов и доказали, что оно подчиняется объединенному газовому закону Менделеева-Клапейрона
Росм. = См×R×T,
где См – молярная концентрация растворенного вещества, моль/л;
R - универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/(моль×К);
Т – абсолютная температура, К.
В 1886 г. Я.Г.Вант-Гофф сформулировал закон осмотического давления: В разбавленных растворах неэлектролитов осмотическое давление равно тому давлению, которое оказывало бы растворенное вещество, если бы оно было газом и при той же температуре занимало тот же объем, который занимает раствор.
Над поверхностью каждой жидкости всегда присутствует ее пар, образующийся в результате эндотермического процесса испарения. Процесс испарения обратим, одновременно с ним протекает экзотермический процесс конденсации. При каждой определенной температуре между жидкостью и паром устанавливается подвижное равновесие. Это равновесие системы жидкость – пар (ΔG = 0) характеризуется строго определенным для данной жидкости и данной температуры давлением насыщенного пара. Насыщенным называется пар, который находится в равновесии с жидкостью. Если в растворитель добавить растворимое вещество, которое будет нелетучим, т.е. будет содержаться только в жидкости, то равновесие системы нарушится. Часть молекул образует с растворителем гидраты, при этом молярная доля молекул растворителя понизится, а в соответствии с принципом Ле Шателье усилится процесс увеличения концентрации растворителя (конденсация), при этом давление насыщенного пара уменьшится и новое равновесие установится при более низком давлении. Т.о.
Давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда будет ниже, чем давление давления насыщенного пара над чистым растворителем при той же температуре. Разность между этими значениями называют понижением давления пара, а отношение этого значения к давлению насыщенного пара над чистым растворителем (Δp) называют относительным понижением давления насыщенного пара над раствором
Δp = (p0 – p) / p0,
где p0 и p – давление насыщенного пара над чистым растворителем и над раствором. Понижение давление насыщенного пара будет тем ниже, чем больше растворенного вещества, т.е. чем выше его молярная доля. Французский физик Ф.М. Рауль (1887 г.) установил эту зависимость и сформулировал закон (I закон): Относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного вещества
(p0 – p) / p0 = N/N0 + N или Δp = p0 × М
гдеN и N0 - число молей растворителя и растворенного вещества соответственно; М – молярная концентрация, моль/л.
Каждое чистое вещество характеризуется строго определенными температурами кипения (Tкип.) и кристаллизации (Tкр.), т.е. переходит из одного агрегатного состояния в другое при определенных температурах. Температурой кипения чистой жидкости является температура, при которой давление ее паров равно внешнему давлению. Иная картина наблюдается для растворов. Понижение давления насыщенного пара в результате растворения вещества вызывает необходимость повышения температуры выше точки кипения для того, чтобы давление насыщенного пара раствора поднялось до давления пара растворителя. При кристаллизации (замерзании) растворителя давление насыщенного пара меньше, чем над его кристаллами. Чтобы раствор кристаллизовался полностью, его необходимо охладить до температуры, при которой давление насыщенного пара над жидкой и твердой фазами будут равны между собой. Т.о., чем выше концентрация растворенного вещества, тем выше температура кипения раствора и ниже его температура кристаллизации (замерзания).
Разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя называют повышение температуры кипения (ΔTкип).
