Раствор представляет собой однородную, термодинамически устойчивую систему, состоящую из двух или более компонентов, распределённых на молекулярном или ионном уровне. Отличительной чертой растворов является отсутствие границы между растворённым веществом и растворителем: частицы распределяются равномерно по всему объёму и образуют единую фазу. В отличие от коллоидных систем или грубых суспензий, истинные растворы обладают полной прозрачностью и стабильностью во времени.
В состав раствора входят два структурных элемента:
Растворителем обычно является жидкость (в химии наибольшее значение имеет вода как универсальный растворитель), но возможны и другие комбинации: газы в газах (воздух), жидкости в жидкостях (спиртовые смеси), твёрдые вещества в твёрдых (сплавы).
Растворы могут быть:
Ионные растворы обладают специфическими свойствами — проводимостью электрического тока, влиянием на химические равновесия и скоростью реакций.
Растворение является сложным многостадийным процессом, включающим:
Суммарный тепловой эффект растворения определяется балансом этих стадий и может быть как эндотермическим, так и экзотермическим. Например, растворение KNO₃ в воде сопровождается охлаждением, тогда как растворение NaOH — выделением значительного количества тепла.
Основу процесса растворения составляют силы межмолекулярного взаимодействия:
Закон «подобное растворяется в подобном» отражает соответствие природы растворителя и растворённого вещества: полярные вещества хорошо растворяются в полярных растворителях, а неполярные — в неполярных. Так, вода эффективно растворяет соли и сахара, но плохо взаимодействует с углеводородами.
Особое значение имеет структура растворителя. Вода, обладающая высокой диэлектрической проницаемостью и развитой системой водородных связей, формирует устойчивую гидратную оболочку вокруг ионов и полярных молекул. Эти гидратные оболочки определяют подвижность ионов, их участие в химических процессах и стабильность растворов.
Растворимость характеризуется предельной концентрацией вещества в данном растворителе при определённой температуре и давлении. Она зависит от:
Растворимость — величина динамическая: она отражает равновесие между процессами растворения и кристаллизации или выделения газа.
Процесс растворения твёрдых тел включает:
Каждая стадия может лимитировать скорость растворения, что имеет значение в фармацевтике, экологии и химической технологии.
Растворимость газов определяется их физической природой и взаимодействием с молекулами растворителя. Для неполярных газов (O₂, N₂) растворимость мала и пропорциональна давлению (закон Генри). Для газов, способных к химическому взаимодействию с растворителем (NH₃, CO₂), растворимость значительно выше вследствие образования гидратов и ионных форм.
Растворение описывается фундаментальными термодинамическими функциями:
Баланс этих величин объясняет различия в растворимости веществ и направление фазовых равновесий.
Понимание природы растворов и механизмов растворения имеет фундаментальное значение для химии: большинство реакций протекает именно в растворах, где молекулы и ионы обладают свободой перемещения, сталкиваются и вступают в реакции. Растворы обеспечивают не только среду, но и активное участие растворителя в стабилизации промежуточных частиц, формировании переходных состояний и изменении энергетических барьеров реакций.