Фізіко – хімічна теорія розчинів

Тверді розчини вкорінення утворюються в результаті закріплення іонів, атомів або молекул однієї речовини в пустотах між кристалами іншої речовини, наприклад, розчин вуглецю в залізі (сталь).

Поняття про розчини

Якщо речовина (дисперсна фаза) диспергована до розмірів молекул або іонів (менше ніж 1 нм), то утворюється гомогенна система – істинний розчин, або просто розчин. У розчинах між диспергованною речовиною і дисперсійним середовищем (розчинником) немає поверхні розділу і тому розчин є гомогенною системою. Відсутність поверхні розділу зумовлює також високу стійкість розчинів, чого неможна сказати про гетерогенні системи, в яких є поверхня розділу. Впродовж тривалого часу розчини не розділяються на складові компоненти.

Таким чином, розчин – гомогенна термодинамічно стійка система змінного складу, яка складається з двох або більшого числа компонентів.

Залежно від агрегатного стану розчиненої речовини і розчинника (дисперсійного середовища) розчини бувають газоподібні, тверді і рідкі.

Газоподібні розчини – це суміші газів.

Гомогенні тверді розчини можуть утворювати солі, метали або оксиди. Відомі тверді розчини двох типів: заміщення і вкорінення.

Тверді розчини заміщення утворюються при кристалізації рідких розчинів, якщо компоненти мають однотипні кристалічні грати, а частинки компонентів – близьких за розмірами. Наприклад, KCl і KBr, Ag і Au можуть утворювати тверді розчини, масові співвідношення між якими змінюються в широких межах (від 0 до 100%). Тверді розчини утворюють пари речовин: кремній і германій, золото і платина, K₂SO₄ і K₂SeO₄ та ін. Як правило, тверді розчини заміщення легко утворюють ізоморфні речовини.

Рідкі розчини утворюються при розчиненні газоподібних, рідких або твердих речовин в рідкому дисперсійному середовищі (розчиннику). Цей тип розчинів, які належать до рідких однофазних систем, є найважливішими, оскільки більшість біологічних, геологічних і хімічних процесів відбувається за участю рідких розчинів. Велике значення мають розчини в будівництві, технології напівпровідників і в інших галузях науки, техніки і промисловості.

У рідких розчинах розчинником, як правило, є рідина, зокрема вода. Незалежно від вмісту розчиненої речовини розчинником вважають той компонент розчину, агрегатний стан якого не змінюється під час виготовлення розчину, тобто залишається рідким. Це насправді так, коли йдеться про розбавлені розчини. Висококонцентровані розчини, в яких переважає вміст розчиненої речовини, розглядають як розчини води в іншому компоненті. Це, наприклад, система метанол – вода із вмістом першого компонента 80 – 90%, сіль – вода, яка є розчином води у впорядкованих кристалічних гратах електроліту.

Найчастіше, якщо розчин утворюється при змішуванні систем газ-газ, рідина-рідина, тверда речовина-тверда речовина, то розчинником вважають компонент, кількість якого переважає.

Розчини як двох і більш компонентні системи, склад яких може змінюватися в достатньо широких межах, нагадують механічні суміші. Проте зміна складу розчинів ще не означає, що між компонентами розчинів немає хімічної взаємодії.

Фізична теорія розчинів, основоположниками якої були відомі фізикохіміки Я.Вант-Гофф і С.Арреніус, розглядає процес розчинення як простий розподіл (діспергування) однієї речовини у всьому об'ємі іншої, і таким чином, властивості розчинів повинні залежати тільки від концентрації розчиненої речовини. За фізичною теорією розчинник – це індіферентне середовище, в якому хаотично розподілені частинки розчиненої речовини.

Згідно хімічної теорії розчинів, розробленої Д.І.Менделєєвим, між компонентами розчину здійснюється хімічна взаємодія. Утворення і існування розчину неможливе без взаємодії між всіма частками, які його утворюють. Розчин є динамічною системою, між компонентами якої відбувається безперервний обмін.

Важливим положенням хімічної теорії розчинів є твердження про рівноцінність компонентів розчину: розчинника і розчиненої речовини.

У своїх працях Д.І.Менделєєв показав, що в розчині є сполуки, які утворюються завдяки взаємодії молекул розчиненої речовини і розчинника. Такі сполуки називаються сольватами (гідратами), а процес їх утворення в результаті взаємодії компонентів розчину – сольватацією (гідратацією). Термін “гідрати” і “гідратація” застосовують, коли розчинником є вода.

Існування сольватів (гідратів) в розчині підтверджується виділенням сполук з розчинів у вигляді кристалосольватів або крісталогідратів. Так, якщо розчинити у воді безводні солі, наприклад CuSO₄, Na₂SO₄, Mg(ClO₄)₂, то потім з розчину вони виділяються у вигляді крісталогідраіов складу: CuSO₄×5H₂O, Na₂SO₄×10H₂O, Mg(ClO₄)₂×6H₂O. Подібним образом поводять себе більшість солей і деякі представники інших класів неорганічних сполук. З неводних розчинників також можна добути крісталосольвати. Наприклад, CaCl₂ і Mg(ClO₄)₂ з метиловим спиртом утворюють сольвати CaCl₂×6CH₃OH і Mg(ClO₄)₂×6CH₃OH.

Про утворення сольватів можна спостерігати за зовнішніми змінами, які відбуваються з розчинами, наприклад по зміні об'єму розчину при розчиненні (білий купрум(ІІ) сульфат CuSO₄ утворює блакитні розчини, а синій безводний CoCl₂ – рожеві розчини).

В результаті протікання процесів сольватації або гідратації розчинення речовин в розчинниках супроводжується певним енергетичним ефектом. Зміна ентальпії при розчиненні одного моля речовини називається ентальпією розчинення цієї речовини в даному розчиннику. Тепловий ефект розчинення (екзо- або ендотермічний) залежить від двох величин: енергії кристалічних граток речовини і енергії взаємодії розчиненої речовини з молекулами розчинника (ентельпія сольватації). Процес розчинення супроводжується спочатку руйнуванням граток речовини (витрачається енергія, яка дорівнює по величині енергії кристалічних граток речовини, але протилежна за знаком) і сольватацією. Якщо позначити енергію кристалічних граток Е, а ентальпію сольватації DН₁, то теплота розчинення DН₀ дорівнюватиме алгебраїчній сумі цих протилежних енергетичних ефектів:

DН₀ = - Е + DН₁.

З цього рівняння витікає, що розчинення відбувається з виділенням теплоти (екзоефект), якщо ентальпія сольватації більше енергії кристалічних граток, тобто DН₁>Е. При Е>DН₁ розчинення супроводжується поглинанням теплоти (ендоеффект). Прикладами ендотермічних процесів є розчинення KNO₃, NH₄NO₃, NaCl, KCl, KNCS та ін. Навпаки, розчинення кислот H₂SO₄, HNO₃, HCl і лугів NaOH, KOH відбувається з виділенням теплоти.

Таким чином, існування в розчинах і твердому стані сольватів (гідратів), а також теплові ефекти, що супроводжують процеси розчинення, свідчать про те, що розчини є проміжним станом між механічними сумішами і хімічним сполуками.

Сучасна теорія розчинів є об'єднанням фізичної і хімічної теорій розчинів, основи якої було закладено роботами російських учених, зокрема Каблуковим і Кистяковським.

Дата добавления: 2014-01-07