Растворы. Механизм образования растворов и их классификация.
Растворы – это гомогенные системы переменного состава, находящиеся в состоянии химического равновесия. Растворы представляют собой дисперсные системы, в которых частицы одного вещества равномерно распределены в другом. Дисперсные системы по характеру агрегатного состояния могут быть газообразными, жидкими и твердыми, а по степени дисперсности – взвесями, коллоидными и истинными растворами. Частицы взвесей обычно имеют размер порядка 1 мкм и более. Такие частицы сохраняют все свойства фазы. Поэтому взвеси следует рассматривать как гетерогенные системы.
При образовании истинного раствора распределенное в среде вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня. Примеры таких систем многочисленны: воздух (газообразный раствор, содержащий кислород, азот и т.д.); жидкие водно-солевые системы; сплавы меди с золотом представляют собой пример твердых растворов.
Для истинных растворов – термодинамически равновесных систем - характерна неограниченная стабильность во времени. Наибольшее значение имеют жидкие, а в последнее время и твердые растворы, находящие широкое применение в самых различных областях науки и техники.
Растворы – это как минимум двухкомпонентные системы. Обычно растворителем считают компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор.
Растворение обычно сопровождается заметным тепловым эффектом (эндо- или экзотермическим), изменением объема (общий объем раствора не равен сумме объемов компонентов), иногда изменением окраски и т.п. Например, при растворении гидроксида калия в воде наблюдается сильное разогревание раствора:
KOH+ aq = KOН . aq ( H = -54 кДж),
а при растворении нитрата аммония – охлаждение:
NH4NO3+aq=NH4NO3 . aq ( H= + 25 кДж)
При смешении 100 мл воды с равным объемом этилового спирта вместо ожидаемых 200 мл раствора получается около 180 мл, то есть в результате растворения происходит уменьшение объема. Растворение безводного сульфата меди, не имеющего окраски, сопровождается появлением интенсивной голубой окраски.
Все эти явления свидетельствуют об изменении химической природы компонентов раствора в процессе его образования. Д.И. Менделеев, изучая состояние веществ в растворах, развил представление о химическом характере процесса растворения, противопоставляя это учение физической теории растворения, согласно которой растворы – чисто механические смеси частиц растворителя и растворенного вещества. Он пришел к выводу, что в растворе образуются соединения, состоящие из растворенного вещества и растворителя. Такие соединения получили название сольватов.
Если растворителем является вода, то соединения, образующиеся в растворе, называются гидратами. Развитая Менделеевым химическая, или гидратная теория лежит в основе всего современного учения о растворах.
С термодинамической точки зрения растворение всегда сопровождается убылью энергии Гиббса. При этом независимо от знака изменения энтальпии при растворении всегда G < 0, так как переход вещества в раствор сопровождается значительным возрастанием энтропии вследствие стремления системы к разупорядочению. Раствор, в котором при данных условиях невозможно дальнейшее растворение вещества, называется насыщенным относительно данного вещества. Насыщенный раствор можно определить как раствор, находящийся в динамическом равновесии с осадком растворяемого вещества.
Растворы с меньшей концентрацией называются ненасыщенными.
Раствор, содержащий больше растворенного вещества, чем это определяется его растворимостью, называется пересыщенным. Пересыщенный раствор представляет собой неустойчивую систему. При любом внешнем воздействии (встряхивании, внесении кристалла затравки) в системе происходят необратимые изменения, сопровождающиеся осаждением избыточного количества растворенного вещества.
Разбавленный раствор – это раствор, в котором содержание растворенного вещества очень мало по сравнению с содержанием растворителя.