Подобное растворяется в подобном: полярное – в полярном, неполярное – в неполярном

Твердые растворы могут быть образованы твердыми (кристаллическими) веществами: металлами (сплавы), солями, оксидами металлов. Твердым раствором называют кристалл, кристаллическая решетка которого построена из двух или нескольких компонентов.

Металлические твердые растворы благодаря их высокой однородности широко используются в машиностроении, приборостроении в качестве конструкционных материалов, устойчивых к коррозии. Например, однофазная аустенитная сталь 1Х18Н9 («нержавеющая сталь») представляет собой твердый раствор, содержащий 18% хрома, 9% никеля и не более 0,1% углерода в γ-железе.

Отличительные свойства растворов:

1) от смесей – гомогенность

2) от химических соединений – переменность состава, изменение свойств растворителя и растворенного вещества не носит радикального характера.

По характеру взаимодействия растворяемого вещества с растворителем растворы бывают:

- ионного типа (растворы электролитов)

- молекулярного типа (растворы неэлектролитов).

Вещества с ионным типом химической связи в молекуле (ионные вещества), если их удается растворить в воде, образуют растворы ионного типа. Например. при растворении в воде ионного вещества NaCl образуется однородная смесь ионов Na⁺ и Cl^– с водой.

При растворении большинства газов, органических веществ и некоторых неорганических веществ их молекулы остаются недиссоциированными. Такие растворы называют молекулярными. Растворенное вещество в них просто распределено в виде отдельных молекул между молекулами растворителя. Например, кислород, когда растворяется в воде, то существует в ней в виде молекул О₂.

Главное отличие ионных растворов от молекулярных заключается в том, что ионные растворы проводят электрический ток, а молекулярные – нет.

В зависимости от концентрации растворенного вещества растворы:

- концентрированные – содержание растворенного вещества свыше 5% массовых;

- разбавленные – содержание до 5%.

Раствор, содержащий при данной температуре максимально возможное количество растворенного вещества и находящийся в равновесии с избытком растворяемого вещества, называют насыщенным (рис.2).

Рис. 1. Динамическое равновесие в насыщенном растворе.

Способность вещества растворяться в том или ином растворителе называют растворимостью. Численно растворимость вещества равна концентрации его насыщенного раствора. Для характеристики растворимости также используют коэффициент растворимости – масса вещества, при растворении которой в 100 г растворителя при данной температуре, образуется насыщенный раствор. Этот показатель зависит от температуры, при которой происходит растворение.

Ненасыщенный раствор – раствор, в котором содержание растворенного вещества меньше, чем его растворимость.

Пересыщенный раствор – раствор, в котором содержание растворенного вещества больше, чем его растворимость. Такие растворы можно получить при осторожном переохлаждении. Пересыщенные растворы метастабильны (условно стабильны), так как при внесении в такой раствор какой-либо затравки или при перемешивании возможно самопроизвольное выделение избытка растворенного вещества (либо выпадает осадок, либо появляется еще одна жидкость).

Универсальной теории растворения веществ нет, но существует эмпирическое правило:

(демонстрация растворения йода в воде с йодидом калия и спирте, четыреххлористого углерода в воде)

При растворении одного вещества в другом происходят следующие процессы:

1) смачивание

2) разрушение кристаллической решетки твердого вещества

3) сольватация (гидратация, если растворитель – вода)

4) диссоциация.

При растворении веществ могут происходить химические реакции между молекулами растворяемого вещества и растворителя, а могут и не происходить. Когда растворение вещества не сопровождается явно выраженной химической реакцией, между растворяемым веществом и растворителем происходит взаимодействие, которое называют сольватацией. Однако сольватация – это широкое понятие, относящееся к любому растворителю. Когда же растворителем является вода, это взаимодействие называют гидратацией. В результате гидратации образуются ассоциированные группы частиц, которые называют гидратами. Например, Al(H₂O)₆³⁺, Cu(H₂O)₄²⁺, Ni(H₂O)₆²⁺, Со(Н₂О)₆²⁺. Количество молекул воды зависит от:

1) размера катиона металла и его заряда,

2) строения атома металла.

Маленькие по размерам катионы металлов могут быть окружены лишь небольшим количеством молекул воды, но большой ион (например, Ce³⁺, K⁺, Na⁺) может присоединить к себе много молекул воды.

Способность воды гидратировать ионные вещества объясняется ее одной особенностью – большой величиной диэлектрической проницаемости ε. Диэлектрическая проницаемость служит мерой способности вещества ориентировать свои молекулы в электрическом поле и зависит от дипольного момента молекулы. Например, для воздуха ε=1, а для воды ε≈100. Следовательно, молекулы воды обладают большей способностью ориентироваться в электрическом поле.

Процесс растворения начинается с ориентации диполей воды вокруг всех выступов и граней кристалла (рис. 1). Поверхностные ионы K⁺ и Cl^– гидратируются. Причем, энергия гидратации оказывается сильнее, чем энергия связи ионов в кристаллической решетке. Поэтому гидратированные поверхностные ионы K⁺ и Cl^– освобождаются от непосредственного окружения в кристаллической решетке и переходят в раствор, а процессу гидратации подвергается следующий, более глубокий слой.

Рис. 2. Растворение кристалла хлорида калия в воде.

Растворение, как правило, сопровождается каким-либо тепловым эффектом. Тепловая энергия, которая выделяется или поглощается при растворении 1 моль вещества с образованием 1 л раствора, называется молярной энтальпией растворения.

Относительное содержание вещества в растворе характеризуется его концентрацией.

Способы выражения концентрации растворов

Дата добавления: 2014-01-07