Раствор как физико-химическая система¶

Раствор — гомогенная (однородная) система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов, соотношение между которыми может изменяться в широких пределах. В химии и физике раствор рассматривается как дисперсная система, в которой частицы растворённого вещества распределены в среде растворителя на молекулярном или ионном уровне. Растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями: их состав не постоянен, но они однородны и термодинамически устойчивы.

¶Общая характеристика

Раствор состоит из растворителя и одного или нескольких растворённых веществ. Растворителем обычно считают компонент, взятый в наибольшем количестве или находящийся в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор. Растворы могут быть жидкими, твёрдыми и газообразными; наиболее распространены и изучены жидкие растворы, прежде всего водные.

Ключевые свойства растворов:

• Однородность: отсутствие видимой границы раздела между компонентами, равномерное распределение частиц.
• Переменный состав: концентрация растворённого вещества может меняться непрерывно.
• Устойчивость: без внешнего воздействия система не разделяется самопроизвольно на составляющие.
• Прозрачность: истинные растворы не рассеивают свет и не дают эффекта Тиндаля, чем отличаются от коллоидных систем и взвесей.

¶Классификация

Растворы классифицируют по нескольким признакам.

¶По агрегатному состоянию

¶По концентрации

Различают ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные растворы. Насыщенный раствор содержит максимальное количество вещества, которое может раствориться при данной температуре; пересыщенный — неустойчив и выделяет избыток вещества при внесении кристаллической «затравки».

Способы выражения концентрации включают массовую долю, молярную концентрацию (моль/л), моляльность и молярную долю.

¶По природе растворителя

Выделяют водные и неводные растворы (спиртовые, аммиачные, растворы в органических жидкостях).

¶Механизм растворения

Процесс растворения сопровождается взаимодействием частиц растворителя и растворяемого вещества. При растворении в воде ионных кристаллов, например хлорида натрия, молекулы воды ориентируются вокруг ионов и отрывают их от кристаллической решётки — этот процесс называют гидратацией, а образующиеся частицы — гидратированными ионами. Аналогичное взаимодействие с неводными растворителями называется сольватацией.

Растворение — физико-химический процесс: он включает как разрушение связей в растворяемом веществе (затрата энергии), так и образование новых связей с растворителем (выделение энергии). Итоговый тепловой эффект зависит от соотношения этих составляющих: растворение гидроксида натрия или серной кислоты в воде идёт с сильным разогревом, а нитрата аммония — с охлаждением.

¶Растворимость

Растворимость — способность вещества образовывать с другим веществом однородную систему. Она зависит от природы веществ, температуры и давления.

Основные закономерности:

• Для большинства твёрдых веществ растворимость растёт с повышением температуры.
• Растворимость газов в жидкости, как правило, уменьшается при нагревании и увеличивается с ростом давления.
• Полярные вещества лучше растворяются в полярных растворителях, неполярные — в неполярных (правило «подобное растворяется в подобном»).

¶Электролиты и неэлектролиты

По способности проводить электрический ток растворы делят на растворы электролитов и неэлектролитов. Электролиты (соли, кислоты, основания) распадаются в растворе на ионы — этот процесс называется электролитической диссоциацией. Именно наличие свободных ионов обеспечивает ионную проводимость и лежит в основе работы химических источников тока и гальванических ванн.

Теория электролитической диссоциации была сформулирована шведским учёным Сванте Аррениусом в конце XIX века и в дальнейшем развита в работах русских химиков, в том числе Ивана Каблукова и Владимира Кистяковского, предложивших химическую (гидратную) теорию растворов.

¶Значение и применение

Растворы играют фундаментальную роль в природе и технике.

• Биология и медицина: все биологические жидкости — кровь, лимфа, цитоплазма — представляют собой сложные растворы. Физиологический раствор применяется для внутривенных вливаний.
• Промышленность: растворы используются в металлургии, гальванотехнике, производстве удобрений, пищевой промышленности.
• Быт: приготовление пищи, стирка, применение моющих средств и лекарственных препаратов.
• Химический анализ: титрование и другие методы количественного анализа основаны на реакциях в растворах.

¶Интересные факты

• Мировой океан — крупнейший природный водный раствор солей, средняя солёность которого составляет около 35 промилле.
• Мёртвое море обязано своей плотностью высокой концентрации растворённых солей, что позволяет человеку держаться на поверхности без усилий.
• Сплавы, такие как бронза и сталь, представляют собой твёрдые растворы, где атомы одного металла внедрены в кристаллическую решётку другого.

Источники: учебники по общей и неорганической химии, теория электролитической диссоциации С. Аррениуса, справочные материалы по физической химии.