Раствор: виды, свойства и применение¶

Раствор — это гомогенная (однородная) смесь, состоящая из двух или более компонентов — растворённого вещества и растворителя, а также продуктов их взаимодействия. В отличие от механических смесей, растворы характеризуются равномерным распределением частиц вещества по всему объёму растворителя на молекулярном или ионном уровне. Растворы играют фундаментальную роль в природе, технике и биологии: большинство химических реакций протекает именно в растворах, а все жизненные процессы в организмах связаны с водными растворами.

¶Классификация растворов

По агрегатному состоянию растворы делятся на жидкие (наиболее распространённые), твёрдые (сплавы металлов, стекло) и газообразные (воздух, природные газовые смеси). В жидких растворах растворителем обычно выступает вещество, находящееся в том же агрегатном состоянии, что и раствор, либо преобладающее по количеству. Универсальным растворителем считается вода, поэтому выделяют водные и неводные растворы (в спиртах, бензоле, ацетоне и других органических жидкостях).

По концентрации растворённого вещества растворы подразделяются на разбавленные и концентрированные. По отношению к предельной растворимости различают ненасыщенные (способны растворять вещество дополнительно), насыщенные (находятся в динамическом равновесии с растворяемым веществом) и пересыщенные растворы (содержат вещества больше, чем положено по равновесию; такие системы неустойчивы и легко кристаллизуются при внешнем воздействии).

По электрическим свойствам растворы делятся на электролиты (проводят электрический ток — растворы солей, кислот, щелочей) и неэлектролиты (не проводят ток — растворы сахара, спирта).

¶Физико-химическая природа растворения

Процесс растворения — это сложное физико-химическое явление, сочетающее диффузию (физический процесс) и сольватацию (химическое взаимодействие частиц растворяемого вещества с молекулами растворителя). При растворении в воде образуются гидраты — соединения частиц растворённого вещества с молекулами воды. Русский учёный Д. И. Менделеев в своей гидратной теории растворов (1887) обосновал представление о растворах как о динамических системах, в которых протекают процессы ассоциации, диссоциации и образования промежуточных соединений.

Растворение большинства веществ сопровождается тепловым эффектом. Эндотермическое растворение (с поглощением тепла) характерно, например, для нитрата аммония, экзотермическое (с выделением тепла) — для серной кислоты и гидроксида натрия. Растворимость газов в жидкостях подчиняется закону Генри: она пропорциональна парциальному давлению газа над раствором и уменьшается с ростом температуры. Растворимость твёрдых веществ в воде, как правило, возрастает с повышением температуры, однако существуют и обратные зависимости.

¶Способы выражения концентрации

Концентрация раствора — величина, характеризующая количественное содержание растворённого вещества в единице массы или объёма раствора или растворителя. Основные способы её выражения:

• Массовая доля — отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора (выражается в долях единицы или процентах).
• Молярная концентрация — количество растворённого вещества (в молях) в одном литре раствора (единица — моль/л).
• Моляльная концентрация — количество вещества в молях на один килограмм растворителя.
• Нормальная концентрация (эквивалентная) — количество эквивалентов вещества в одном литре раствора.
• Титр — масса растворённого вещества в одном миллилитре раствора.
• Мольная доля — отношение количества вещества данного компонента к сумме количеств всех компонентов раствора.

Выбор способа выражения концентрации зависит от области применения: в аналитической химии широко используют молярную и нормальную концентрации, в фармакопее — массовые доли, в физической химии — моляльность и мольные доли.

¶Свойства растворов

Важнейшим свойством растворов является их осмотическое давление. Осмос — одностороннее проникновение молекул растворителя через полупроницаемую мембрану в раствор большей концентрации. Осмотическое давление растворов неэлектролитов подчиняется закону Вант-Гоффа: оно прямо пропорционально молярной концентрации и абсолютной температуре. Для растворов электролитов вводится изотонический коэффициент, учитывающий диссоциацию молекул на ионы.

Растворы нелетучих веществ характеризуются коллигативными свойствами, зависящими только от числа частиц растворённого вещества: понижением давления пара растворителя над раствором (закон Рауля), повышением температуры кипения и понижением температуры замерзания (криоскопия и эбуллиоскопия). Эти закономерности лежат в основе определения молярных масс веществ и используются в антифризах и охлаждающих смесях.

Растворы электролитов обладают ионной проводимостью. Степень диссоциации зависит от природы вещества, концентрации, температуры и природы растворителя. Сильные электролиты (соли, сильные кислоты и щёлочи) диссоциируют практически полностью, слабые (уксусная кислота, гидроксид аммония) — лишь частично, что описывается константой диссоциации.

¶Применение растворов

Растворы находят широчайшее применение во всех сферах человеческой деятельности:

• В химической промышленности растворы служат средой для проведения большинства технологических процессов — от синтеза аммиака до производства полимеров.
• В медицине используются инфузионные растворы (физиологический раствор, раствор Рингера), лекарственные формы в виде растворов для инъекций и приёма внутрь.
• В сельском хозяйстве применяются растворы минеральных удобрений и средств защиты растений.
• В металлургии растворы используются при гидрометаллургических процессах извлечения металлов из руд (выщелачивание).
• В быту растворы — это моющие средства, уксус, растворы для консервации пищевых продуктов.
• В природе растворы участвуют в круговороте веществ, почвообразовании, питании растений и животных; морская вода — сложный природный раствор солей.

¶Особые виды растворов

К особым видам относят коллоидные растворы (золи), занимающие промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами. Размер частиц коллоидных растворов составляет от 1 до 100 нанометров, они обладают эффектом Тиндаля (рассеяние света) и способностью к коагуляции. Коллоидные системы широко представлены в природе (кровь, молоко, глина в воде) и используются в производстве лаков, красок, пищевых эмульсий.

Твёрдые растворы — это кристаллические фазы переменного состава, в которых атомы одного элемента замещают атомы другого в кристаллической решётке или внедряются в междоузлия. Важнейший пример — сплавы металлов: сталь является твёрдым раствором углерода в железе, латунь — раствором цинка в меди. Твёрдые растворы обладают повышенной прочностью и твёрдостью по сравнению с чистыми металлами.