Какие свойства характерны для истинных растворов

Растворы, также как и процесс их образования, имеют огромное значение в окружающем нас мире. Вода и воздух – это два их представителя, без которых невозможна жизнь на Земле. Большинство биологических жидкостей в растениях и животных также являются растворами. Процесс переваривания пищи неразрывно связан с растворением питательных веществ.

Любые производства связаны с использованием тех или иных видов растворов. Они применяются в текстильной, пищевой, фармацевтической промышленностях, металлообработке, при добыче полезных ископаемых, получении пластмасс и волокон. Именно поэтому важно понимать, что они собой представляют, знать их свойства и отличительные признаки.

Признаки истинных растворов

Под растворами понимают многокомпонентные однородные системы, образующиеся при распределении одного компонента в другом. Ими также принято называть дисперсные системы, которые в зависимости от размеров образующих их частиц подразделяют на коллоидные системы, суспензии и истинные растворы.

В последних компоненты находятся в состоянии разделенности на молекулы, атомы или ионы. Для таких молекулярно-дисперсных систем характерны следующие признаки:

• сродство (взаимодействие);
• самопроизвольность образования;
• постоянство концентрации;
• гомогенность;
• устойчивость.

Иными словами, они могут образовываться, если между компонентами имеется взаимодействие, которое приводит к самопроизвольному разделению вещества на мельчайшие частицы без усилий, прилагаемых извне. Получаемые растворы должны быть однофазными, то есть между составными частями не должно быть поверхности раздела. Последний признак является наиболее важным, поскольку самопроизвольно процесс растворения может протекать, только если для системы это энергетически выгодно. При этом происходит уменьшение свободной энергии, и система становится равновесной. С учетом всех этих особенностей можно сформулировать следующее определение:

Истинным раствором является устойчивая равновесная система взаимодействующих частиц двух и более веществ, размеры которых не превышают 10-7 см, то есть соразмерны атомам, молекулам и ионам.

Одно из веществ является растворителем (как правило, это тот компонент, концентрация которого выше), а остальные – растворенными веществами. Если исходные вещества находились в разных агрегатных состояниях, то за растворитель принимают то, которое его не изменило.

Виды истинных растворов

По агрегатному состоянию растворы бывают жидкими, газообразными и твердыми. Наиболее распространены жидкие системы, причем они также подразделяются на несколько типов в зависимости от исходного состояния растворенного вещества:

• твердое в жидком, например, сахар или соль в воде;
• жидкое в жидком, например, серная или соляная кислоты в воде;
• газообразное в жидком, например, кислород или углекислый газ в воде.

Однако растворителем может быть не только вода. И по природе растворителя все жидкие растворы делят на водные, если вещества растворены в воде, и неводные, если вещества растворены в эфире, этаноле, бензоле и т.д.

По электрической проводимости растворы делят на электролиты и неэлектролиты. Электролитами являются соединения с преимущественно ионной кристаллической связью, которые при диссоциации в растворе образуют ионы. Неэлектролиты при растворении распадаются на атомы или молекулы.

В истинных растворах одновременно происходят два противоположных процесса – растворение вещества и его кристаллизация. В зависимости от положения равновесия в системе “растворенное вещество – раствор” различают следующие виды растворов:

• насыщенный, когда скорость растворения некоторого вещества равна скорости его же кристаллизации, то есть раствор находится в равновесии с растворяющим веществом;
• ненасыщенные, если в них содержится меньше растворенного вещества, по сравнению с насыщенным при той же температуре;
• пересыщенные, которые содержат избыток растворенного вещества в сравнении с насыщенным, и одного кристаллика его бывает достаточно для начала активной кристаллизации.

В качестве количественной характеристики, отражающей содержание того или иного компонента в растворах, используют концентрацию. Растворы с малым содержанием растворенного вещества называют разбавленными, а с высоким – концентрированными.

Способы выражения концентрации

Массовая доля (ω) – масса вещества (mв-ва), отнесенная к массе раствора (mр-ра). При этом массу раствора принимают как сумму масс вещества и растворителя (mр-ля).

Мольная доля (N)- число моль растворенного вещества (Nв-ва), отнесенные к общему числу моль веществ, которые образуют раствор (ΣN).

Моляльность (Сm) – число моль растворенного вещества (Nв-ва), отнесенные к массе растворителя (mр-ля).

Молярная концентрация (См) – масса растворенного вещества (mв-ва), отнесенная к объему всего раствора (V).

Нормальность, или эквивалентная концентрация, (Сн) – число эквивалентов (Э) растворенного вещества, отнесенных к объему раствора.

Титр (Т) – масса вещества (mв-ва), растворенного в заданнном объеме раствора.

Объемная доля (ϕ) газообразного вещества – объем вещества (Vв-ва), отнесенный к объему раствора (Vр-ра).

Свойства растворов

Рассматривая этот вопрос, чаще всего говорят о разбавленных растворах неэлектролитов. Связано это, во-первых, с тем, что степень взаимодействия между частицами приближает их к идеальным газам. А во-вторых, свойства их обусловлены взаимосвязанностью всех частиц и пропорциональны содержанию компонентов. Такие свойства истинных растворов называют коллигативными. Давление пара растворителя над раствором описывается законом Рауля, который гласит, что снижение давления насыщенного пара растворителя ΔР над раствором прямо пропорционально мольной доле растворенного вещества (Тв-ва) и давлению пара над чистым растворителем (Р0р-ля):

ΔР = Рор-ля ∙ Тв-ва

Повышение температур кипения ΔТк и температур замерзания ΔТз растворов прямопропорционально моляльным концентрациям растворенных в них веществ Сm:

ΔТк = Е ∙ Сm, где Е – эбулиоскопическая константа;

ΔТз = К ∙ Сm, где К – криоскопическая константа.

Осмотическое давление π рассчитывают по уравнению:

π = Р∙Е∙Хв-ва / Vр-ля,

где Хв-ва – мольная доля растворенного вещества, Vр-ля – объем растворителя.

Значение растворов в обычной жизни любого человека сложно переоценить. Природная вода содержит растворенные газы – СО2 и О2, различные соли – NaCl, CaSO4, MgCO3, KCl и др. Но без этих примесей в организме мог бы нарушиться водно-солевой обмен и работа сердечно-сосудистой системы. Другим примером истинных растворов является сплав металлов. Это может быть латунь или ювелирное золото, но, главное, что после смешивания расплавленных компонентов и остывания полученного раствора образуется одна твердая фаза. Металлические сплавы применяют повсеместно, начиная со столовых приборов, и заканчивая электроникой.

В природе практически не встречаются чистые вещества. В основном они представлены в виде смесей, которые способны образовывать гомогенные либо гетерогенные системы.

Особенности истинных растворов

Истинные растворы – это разновидность дисперсных систем, имеющих большую прочность между дисперсионной средой и дисперсной фазой.

У любого химического вещества можно получить кристаллы разных размеров. В любом случае у них будет одинаковое внутреннее строение: ионная либо молекулярная кристаллическая решетка.

Растворение

В процессе растворения в воде крупинок хлорида натрия и сахара происходит образование ионного и молекулярного раствора. В зависимости от степени раздробленности, вещество способно находиться в виде:

• видимых макроскопических частиц, размер которых больше 0,2 мм;
• микроскопических частиц, имеющих размер меньше 0,2 мм, уловить их можно только с помощью микроскопа.

Истинные и коллоидные растворы отличаются между собой размером частиц растворяемого вещества. Невидимые в микроскоп кристаллы называют коллоидными частицами, а получаемое состояние именуют коллоидным раствором.

Фаза раствора

Во многих случаях истинные растворы – это раздробленные (дисперсные) системы гомогенного вида. В них присутствует сплошная непрерывная фаза – дисперсионная среда, и раздробленные частицы определенной формы и размера (дисперсная фаза). Чем отличаются коллоидные растворы от истинных систем?

Основное различие состоит в размерах частиц. Коллоидно-дисперсные системы считают гетерогенными, так как в световом микроскопе невозможно обнаружить границу раздела фаз.

Истинные растворы – это тот вариант, когда в окружающей среде вещество представлено в виде ионов либо молекул. Они относятся к однофазным гомогенным растворам.

В качестве обязательного условия образования дисперсных систем рассматривается взаимное растворение дисперсионной среды и диспергируемого вещества. К примеру, хлорид натрия и сахароза нерастворимы в бензоле и керосине, поэтому в таком растворителе не будут образовываться коллоидные растворы.

Классификация дисперсных систем

Как делятся дисперсные системы? Истинные растворы, коллоидные системы отличаются по нескольким параметрам.

Существует подразделение дисперсных систем по агрегатному состоянию среды и дисперсной фазы, образованию либо отсутствию взаимодействия между ними.

Характеристики

Существуют определенные количественные характеристики дисперсности вещества. В первую очередь выделяют степень дисперсности. Эта величина обратна размеру частиц. Она характеризует то количество частичек, которое можно разместить в ряд на расстоянии одного сантиметра.

В том случае, когда все частицы обладают одинаковыми размерами, образуется монодисперсная система. При неодинаковых частицах дисперсной фазы образуется полидисперсная система.

С повышением дисперсности вещества у него повышаются процессы, которые происходят в межфазовой поверхности. Например, возрастает удельная поверхность дисперсной фазы, растет физико-химическое воздействие среды на границе раздела двух фаз.

Варианты дисперсных систем

В зависимости от того, в какой фазе будет находиться растворяемое вещество, выделяют разные варианты дисперсных систем.

Аэрозоли – дисперсные системы, в которых дисперсная среда представлена в газообразном виде. Туманы – это аэрозоли, имеющие жидкую дисперсную фазу. Дым и пыль образуются твердой дисперсной фазой.

Пены являются дисперсией в жидкости газообразного вещества. Жидкости в пенах вырождаются до пленок, которые разделяют пузырьки газа.

Эмульсиями называют дисперсные системы, где одна жидкость распределяется по объему другой, не растворяясь в ней.

Суспензии или взвеси – это низкодисперсные системы, в которых твердые частицы находятся в жидкости. Коллоидные растворы или золи при водной дисперсной системе называют гидрозолями.

В зависимости от наличия (отсутствия) между частицами дисперсной фазы выделяют свободнодисперсные или связнодисперсные системы. К первой группе относятся лиозоли, аэрозоли, эмульсии, суспензии. В таких системах отсутствуют контакты между частицами и дисперсной фазой. Они без ограничений передвигаются в растворе под действием силы тяжести.

Связнодисперсные системы возникают в случае контакта частиц с дисперсной фазой, в результате которых образуются структуры в виде сетки либо каркаса. Такие коллоидные системы называют гелями.

Процесс гелеобразования (желатинирования) представляет собой превращение золя в гель, основанный на понижении устойчивости исходного золя. Примерами связнодисперсных систем являются суспензии, эмульсии, порошки, пены. К ним также можно отнести почву, образованную в процессе взаимодействия органических (гумусных) веществ и почвенных минералов.

Капиллярно-дисперсные системы отличаются сплошной массой вещества, пронизывающей капилляры и поры. Ими считают ткани, разные мембраны, дерево, картон, бумагу.

Истинные растворы – это гомогенные системы, состоящие из двух компонентов. Они могут существовать в разных по агрегатному состоянию растворителях. Растворителем считают вещество, взятое в избытке. Компонент, который берут в недостаточном количестве, считается растворенным веществом.

Особенности растворов

Твердые сплавы тоже являются растворами, в которых в роли дисперсной среды и компонента выступают различные металлы. С практической точки зрения особый интерес представляют такие жидкие смеси, в которых жидкость выступает растворителем.

Из многочисленных неорганических растворителей особый интерес представляет вода. Практически всегда истинный раствор образуется при смешивании с водой частичек растворяемого вещества.

Среди органических соединений прекрасными растворителями являются следующие вещества: этанол, метанол, бензол, четыреххлористый углерод, ацетон. Благодаря хаотичному движению молекул или ионов растворяемого компонента происходит частичный переход их в раствор, образование новой однородной системы.

Вещества отличаются по способности образования растворов. Одни могут смешиваться друг с другом в неограниченных количествах. Примером служит растворение в воде кристаллов поваренной соли.

Суть процесса растворения с точки зрения молекулярно-кинетической теории заключается в том, что после внесения в растворитель кристаллов поваренной соли происходит диссоциация его на катионы натрия и анионы хлора. Заряженные частицы совершают колебательное движение, соударения с частицами самого растворителя приводят к переходу ионов в растворитель (связыванию). Постепенно к процессу подключаются и другие частицы, разрушается поверхностный слой, кристалл соли растворяется в воде. Диффузия позволяет распределять частицы вещества по объему растворителя.

Виды истинных растворов

Истинный раствор – это система, которая подразделяется на несколько видов. Существует классификация таких систем на водные и неводные по виду растворителя. Их также классифицируют по варианту растворенного вещества на щелочи, кислоты, соли.

Есть различные виды истинных растворов по отношению к электрическому току: неэлектролиты, электролиты. В зависимости от концентрации растворяемого вещества они могут быть разбавленными либо концентрированными.

Истинные растворы низкомолекулярных веществ с термодинамической точки зрения делят на реальные и идеальные.

Такие растворы могут быть ионно-дисперсными, а также молекулярно-дисперсными системами.

Насыщенность растворов

В зависимости от того, какое количество частиц переходит в раствор, существуют пересыщенные, ненасыщенные, насыщенные растворы. Раствор представляет собой жидкую либо твердую гомогенную систему, которая состоит из нескольких компонентов. В любой подобной системе обязательно присутствует растворитель, а также растворенное вещество. При растворении некоторых веществ наблюдается выделение тепла.

Подобный процесс подтверждает теорию растворов, согласно которой, растворение рассматривается как физико-химический процесс. Существует подразделение процесса растворимости на три группы. Первую составляют те вещества, которые способны растворяться в количестве от 10 г в 100 г растворителя, их именуют хорошо растворимыми.

Малорастворимыми считают вещества, если меньше 10 г растворяется в 100 г компонента, остальные называют нерастворимыми.

Заключение

Системы, состоящие из разных по агрегатному состоянию, размерам частиц, необходимы для нормальной жизнедеятельности человека. Истинные, коллоидные растворы, рассмотренные выше, используют для изготовления лекарственных препаратов, создания продуктов питания. Имея представление о концентрации растворенного вещества, можно самостоятельно приготовить необходимый раствор, например, этилового спирта или уксусной кислоты, для различных целей в повседневной жизни. В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии находятся растворяемое вещество и растворитель, получаемые системы имеют определенные физические и химические характеристики.