Растворение как физико-химический процесс

Известны две основные теории растворов: физическая и химическая.

Физическая теория растворов была предложена лауреатами Нобелевской премии голландцем Я. Вант-Гоффом (1885 г.) и шведским физико-химиком С. Аррениусом (1883 г.). Растворитель рассматривается как химически инертная среда, в которой равномерно распределены частицы (молекулы, ионы) растворенного вещества. Предполагается отсутствие межмолекулярного взаимодействия, как между частицами растворенного вещества, так и между молекулами растворителя и частицами растворенного вещества. Частицы растворителя и растворенного вещества равномерно распределяются в объеме раствора вследствие диффузии.

Впоследствии выяснилось, что физическая теория удовлетворительно описывает природу лишь малой группы растворов, так называемых идеальных растворов, в которых частицы растворителя и растворенного вещества действительно не взаимодействуют между собой. Примерами идеальных растворов являются многие газовые растворы.

Химическая (или сольватная) теория растворов предложена Д.И. Менделеевым (1887 г.). Он впервые на огромном экспериментальном материале показал, что между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя происходит химическое взаимодействие, в результате которого образуются нестойкие соединения переменного состава, называемые сольватами или гидратами (если растворителем является вода). Д.И. Менделеев определил раствор как химическую систему, все формы взаимодействия в которой связаны с химической природой растворителя и растворяемых веществ. Главную роль в образовании сольватов играют непрочные межмолекулярные силы и водородная связь.

Процесс растворения нельзя представить простой физической моделью, например, статистическим распределением растворенного вещества в растворителе в результате диффузии. Обычно он сопровождается заметным тепловым эффектом и изменением объема раствора, за счет разрушения структуры растворяемого вещества и взаимодействия частиц растворителя с частицами растворенного вещества. Оба эти процесса сопровождаются энергетическими эффектами. Для разрушения структуры растворяемого вещества требуется затрата энергии, тогда как при взаимодействии частиц растворителя и растворенного вещества происходит выделение энергии. В зависимости от соотношения этих эффектов процесс растворения может быть эндотермическим или экзотермическим.

При растворении сульфата меди присутствие гидратов легко обнаружить по изменению цвета: безводная соль белого цвета, растворяясь в воде, образует раствор синего цвета. Иногда гидратная вода прочно связывается с растворенным веществом и при выделении его из раствора входит в состав его кристаллов. Кристаллические вещества, содержащие воду, называются кристаллогидратами, а вода, входящая в структуру таких кристаллов, называется кристаллизационной. Состав кристаллогидратов определяет формула вещества, в которой указано число молекул кристаллизационной воды, приходящееся на одну его молекулу. Так, формула кристаллогидрата сульфата меди (медного купороса) CuSO₄×5H₂O. Сохранение кристаллогидратами окраски, характерной для соответствующих растворов, служит прямым доказательством существования в растворах аналогичных гидратных комплексов. Цвет кристаллогидрата зависит от числа молекул кристаллизационной воды.

Существуют различные способы выражения состава раствора. Наиболее часто используют массовую долю растворённого вещества, молярную и нормальную концентрацию.

В общем виде концентрация может быть выражена как число частиц в единице объема или как отношение числа частиц данного вида к общему количеству частиц в растворе. Количество растворенного вещества и растворителя измеряют в единицах массы, объема или в молях. В целом, концентрация раствора – это количество растворенного вещества в конденсированной системе (смеси, сплаве или в определенном объеме раствора). Известны разные способы выражения концентрации растворов, каждый из которых имеет преимущественное применение в той или иной области науки и техники. Обычно состав растворов выражают с помощью безразмерных (массовая и мольная доли) и размерных величин (молярная концентрация вещества, молярная концентрация вещества – эквивалента и моляльность).

Массовая доля – величина, равная отношению массы растворенного вещества (m₁) к общей массе раствора (m):

где m₁ – масса растворенного вещества; m – масса раствора.

Массовую долю выражают в процентах и долях единицы.

Моляльность (моль/кг) выражается числом молей растворенного вещества в килограмме растворителя:

где С¢_М – моляльность раствора; m, M – соответственно масса (г) растворенного вещества и его молярная масса (г/моль); m₁ – масса растворителя (г).

Молярная концентрация вещества (молярность) равна числу молей растворенного вещества в кубическом дециметре (или литре) раствора. Ее определяют как отношение массы вещества в 1 л раствора к его молярной массе (моль/л):

где m – масса растворенного вещества, содержащаяся в 1 л (дм³) раствора;

М – молярная масса растворенного вещества.

Если V ¹ 1 л, то

где m – вся масса вещества; V – объем всего раствора (в л).

Нормальная концентрация вещества (нормальность) соответствует числу эквивалентов растворенного вещества в 1 дм³ раствора (моль/л)

где m – масса растворенного вещества, содержащаяся в 1 дм³ раствора; m_Э – эквивалентная масса вещества. Химический эквивалент (n_эк) – масса химического элемента (или молекулярная масса химического соединения), которая присоединяет или замещает массу водорода, равную его атомной массе (1,0079) или массу кислорода, равную половине его атомной массы. Эквивалентная масса вещества m_э= m/n_эк.

Если объем раствора V ¹ 1 дм³:

Индексы М и Н у символов концентрации С_М и С_Н – соответствуют молярности и нормальности растворов. Часто концентрации растворов обозначают 1М, 2 М... – одномолярный, двумолярный, т.е. раствор, содержащий 1 или 2 моль растворенного вещества в 1 литре раствора. Аналогично 1н, 2н... – означает однонормальный или двунормальный раствор, содержащий одну или две эквивалентные массы растворенного вещества в 1 литре раствора.

Титр (г/см³) – число граммов растворенного вещества в 1 см³ раствора

где m – масса растворенного вещества; V – объем раствора в см³.

Растворы классифицируют по свойствам, которые зависят от природы растворенного вещества и растворителя.

По результату взаимодействия растворяемого вещества с растворителем растворы можно разделить на два типа. Если растворяемое вещество частично или полностью диссоциирует на ионы, растворы условно называют ионными. Если растворяемое вещество не диссоциирует на ионы, а распределяется в растворителе в виде отдельных молекул (или их ассоциатов), как, например, кислород в воде, раствор называют молекулярным.

По признаку электрической проводимостиразличаютрастворы неэлектролитов, не способные проводить электрический ток (к ним относятся молекулярные растворы), и растворы электролитов, проводящие электрический ток (ионные растворы).

Дата добавления: 2014-01-13