Растворы представляют собой гомогенные системы, в которых молекулы растворённого вещества распределены среди молекул растворителя. Их поведение на молекулярном уровне определяется кинетическими взаимодействиями, тепловым движением и структурными особенностями системы.
Молекулы в растворе находятся в состоянии непрерывного теплового движения, которое носит случайный характер и описывается законами Броуновского движения. Скорость движения молекул зависит от температуры и вязкости растворителя. Для малых молекул в низком вязком растворителе характерна высокая подвижность, тогда как для крупных полимерных или коллоидных частиц скорость диффузии значительно снижается.
Диффузия — ключевой процесс молекулярного перемешивания. Она определяется законом Фика:
$$ J = -D \frac{dC}{dx} $$
где J — поток вещества, D — коэффициент диффузии, C — концентрация, x — пространственная координата. Коэффициент диффузии зависит от размеров частиц, температуры и вязкости среды (уравнение Стокса–Эйнштейна):
$$ D = \frac{k_B T}{6 \pi \eta r} $$
где kB — постоянная Больцмана, T — температура, η — вязкость растворителя, r — радиус частицы.
Тепловое движение молекул вызывает флуктуации концентрации и локальные изменения давления. Вследствие этого наблюдаются:
Π = cRT
где Π — осмотическое давление, c — молярная концентрация растворённого вещества, R — универсальная газовая постоянная, T — абсолютная температура.
Вязкость раствора определяется взаимодействием молекул растворителя с растворёнными частицами. Для разбавленных растворов с низкомолекулярными веществами справедливо уравнение Фрауда:
η = η0(1 + [η]c)
где η — вязкость раствора, η0 — вязкость чистого растворителя, [η] — специфическая вязкость, c — концентрация. Для полимерных растворов учитывается также кооперативное движение макромолекул, что приводит к нелинейной зависимости вязкости от концентрации.
Релаксационные процессы характеризуют скорость восстановления равновесия после внешнего воздействия (например, сдвига или изменения температуры). Они зависят от времени жизни межмолекулярных связей и конформационных изменений растворённых молекул.
Силы взаимодействия между молекулами определяют структурную организацию растворов и их динамические свойства. Ключевые типы взаимодействий:
Эти взаимодействия формируют микроструктуру раствора, которая проявляется в зависимостях физических свойств от концентрации, температуры и состава смеси.
Температура напрямую влияет на кинетику молекул: повышение температуры увеличивает скорость диффузии и снижает вязкость, ускоряет релаксационные процессы. Закон Аррениуса применим для описания температурной зависимости коэффициентов диффузии и скоростей релаксации:
$$ k = A \exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right) $$
где k — скорость процесса, A — предэкспоненциальный множитель, Ea — энергия активации.
В системах с крупными частицами молекулярно-кинетические процессы существенно усложняются:
Кинетические модели для коллоидов и полимеров требуют учета гидродинамических взаимодействий, электростатических сил и кооперативной динамики цепей полимеров, что делает их описание значительно более сложным, чем для низкомолекулярных растворов.
Эти методы дают комплексное представление о кинетической картине растворов на микро- и наноуровне, позволяя выявлять закономерности динамики и структурной организации.