Общие понятия о растворах

Раствор представляет собой однородную систему, состоящую из двух или более веществ. Компоненты раствора включают растворитель — вещество, принимающее другие компоненты, и растворённое вещество — компоненты, диспергированные в растворителе. Наиболее распространёнными растворителями являются вода, органические растворители (этанол, ацетон) и жидкие металлы в металлургии.

Растворы классифицируются по различным признакам:

  • По агрегатному состоянию: жидкие, газовые, твёрдые;
  • По концентрации растворённого вещества: насыщенные, ненасыщенные, пересыщенные;
  • По свойствам растворителя: полярные и неполярные растворы.

Концентрация растворов

Концентрация — количественная характеристика состава раствора. Основные способы выражения концентрации:

  • Массовая доля (w) — отношение массы растворённого вещества к массе раствора:

$$ w = \frac{m_\text{вещ}}{m_\text{раствора}} \cdot 100\% $$

  • Мольная концентрация (С) — количество молей растворённого вещества на единицу объёма раствора:

$$ C = \frac{n}{V} $$

  • Молярная доля (x) — отношение числа молей одного компонента к сумме числа молей всех компонентов:

$$ x_i = \frac{n_i}{\sum n_i} $$

  • Нормальная концентрация (N) — число граммо-эквивалентов вещества на литр раствора.
  • Моляльность (m) — количество молей растворённого вещества на килограмм растворителя:

$$ m = \frac{n}{m_\text{р-ля}} $$

Выбор способа выражения концентрации зависит от целей расчётов и условий эксперимента.

Растворимость

Растворимость — максимальное количество вещества, которое можно растворить в данном объёме растворителя при определённой температуре. Она определяется взаимодействием частиц растворённого вещества и растворителя.

Зависимость растворимости от температуры:

  • Для большинства твёрдых веществ растворимость увеличивается с ростом температуры.
  • Для газов растворимость в воде уменьшается с повышением температуры и увеличивается с ростом давления (закон Генри):

C = kH ⋅ P

где kH — константа Генри, P — давление газа над раствором.

Влияние природы веществ:

  • Полярные вещества лучше растворяются в полярных растворителях.
  • Неполярные вещества лучше растворяются в неполярных растворителях.

Принцип «подобное растворяется в подобном» отражает ключевую роль взаимодействий между молекулами.

Энергетические аспекты растворения

Растворение сопровождается изменением энтальпии (ΔHраств) и энтропии (ΔSраств).

  • Эндотермическое растворение (ΔHраств > 0) требует тепловой энергии: большинство твёрдых веществ.
  • Экзотермическое растворение (ΔHраств < 0) сопровождается выделением тепла: некоторые кислоты и основания.

Степень растворения определяется свободной энергией Гиббса:

ΔG = ΔH − TΔS

Растворение протекает спонтанно, если ΔG < 0.

Коллигативные свойства растворов

Коллигативные свойства зависят только от числа частиц растворённого вещества, а не от их природы:

  • Понижение давления пара — Raoult:

Pраств = P0 ⋅ (1 − xвещ)

  • Повышение температуры кипения:

ΔTкип = Kкип ⋅ m

  • Понижение температуры замерзания:

ΔTзам = Kзам ⋅ m

  • Осмотическое давление:

Π = CRT

Эти явления лежат в основе множества практических процессов: консервации продуктов, медицинских растворов и промышленных технологических схем.

Взаимодействия в растворах

Растворение сопровождается формированием ионных или молекулярных ассоциаций. В водных растворах электролитов происходит диссоциация на ионы, которые определяют электрические и химические свойства растворов.

Сильные электролиты полностью диссоциируют, слабые — частично. Наличие гидратационных оболочек вокруг ионов влияет на свойства растворов, скорость реакций и коллигативные эффекты.

Растворы в природе и технике

Растворы играют ключевую роль в биологических, химических и промышленных процессах:

  • Биологические жидкости, кровь и клеточные соки.
  • Реакционные среды в химической промышленности.
  • Растворы в фармацевтике, агрохимии, металлургии.

Растворение и концентрация определяют кинетику химических реакций, перенос веществ, термодинамические свойства и технологические возможности систем.

Оглавление