Растворы — типы и характеристики¶

Раствор — гомогенная (однородная) система переменного состава, состоящая из двух или более компонентов и продуктов их взаимодействия. В отличие от механических смесей, растворы характеризуются равномерным распределением частиц одного вещества (растворённого вещества) в объёме другого (растворителя) на молекулярном или ионном уровне. Растворы могут находиться в газообразном, жидком и твёрдом агрегатных состояниях, однако в быту и технике под этим термином чаще всего понимают именно жидкие системы.

¶Классификация растворов

¶По агрегатному состоянию

• Газообразные — гомогенные смеси газов (воздух, природный газ). В них все компоненты находятся в газовой фазе, и понятие «растворитель» условно — им считают компонент с наибольшей концентрацией.
• Жидкие — наиболее распространённый тип (морская вода, спиртовые настойки, растворы кислот). Растворителем выступает жидкость, растворённым веществом — газ, жидкость или твёрдое тело.
• Твёрдые — гомогенные кристаллические или аморфные фазы (сплавы металлов, например, латунь — раствор цинка в меди; окрашенные драгоценные камни).

¶По концентрации растворённого вещества

• Ненасыщенные — растворы, в которых при данной температуре возможно дальнейшее растворение вещества.
• Насыщенные — растворы, находящиеся в динамическом равновесии с растворяющимся веществом; дальнейшее растворение при данных условиях невозможно.
• Пересыщенные — metastable системы, содержащие больше растворённого вещества, чем требуется для насыщения. Такие растворы неустойчивы и легко кристаллизуются при перемешивании, добавлении затравки или механическом воздействии.

¶По размеру частиц растворённого вещества

• Истинные растворы — частицы размером менее 1 нм (ионы, молекулы), невидимые даже в электронный микроскоп. Они прозрачны и не рассеивают свет.
• Коллоидные растворы (золи) — частицы размером 1–100 нм, рассеивают свет (эффект Тиндаля). Занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами (суспензиями, эмульсиями).

¶Характеристики растворов

¶Концентрация

Ключевая количественная характеристика, выражающая содержание растворённого вещества. Основные способы выражения:

• Массовая доля (процентная концентрация) — отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора.
• Молярная концентрация (молярность) — количество вещества (в молях) в 1 литре раствора.
• Моляльная концентрация (моляльность) — количество вещества в 1 кг растворителя; не зависит от температуры.
• Нормальность — количество эквивалентов вещества в 1 литре раствора.
• Титр — масса растворённого вещества в 1 мл раствора.

¶Растворимость

Способность вещества образовывать с растворителем гомогенную систему. Количественно выражается массой вещества, растворяющегося в 100 г растворителя при данной температуре. Растворимость зависит от природы компонентов (правило «подобное растворяется в подобном»), температуры (для твёрдых тел обычно растёт с её повышением, для газов — падает) и давления (для газов подчиняется закону Генри).

¶Коллигативные свойства

Свойства разбавленных растворов, зависящие только от числа частиц растворённого вещества, а не от их природы:

• Понижение давления насыщенного пара над раствором (закон Рауля).
• Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания (криоскопия и эбулиоскопия).
• Осмотическое давление — давление, которое необходимо приложить к раствору для предотвращения проникновения растворителя через полупроницаемую мембрану. Описывается законом Вант-Гоффа.

¶Механизм растворения

Растворение — сложный физико-химический процесс. Для твёрдых веществ в жидкостях он включает разрушение кристаллической решётки (эндотермическая стадия) и образование сольватных оболочек — взаимодействие частиц растворённого вещества с молекулами растворителя (экзотермическая стадия). Суммарный тепловой эффект определяет, будет ли растворение сопровождаться нагреванием (например, серная кислота в воде) или охлаждением (нитрат аммония). В случае воды образуются гидраты, в случае органических растворителей — сольваты.

¶Применение

Растворы играют фундаментальную роль в природе и технике. Биологические жидкости (кровь, лимфа, цитоплазма) представляют собой сложные водные растворы электролитов и органических соединений. В промышленности растворы используются в химическом синтезе, металлургии (электролиты для гальваники), фармацевтике (лекарственные формы), пищевой отрасли (напитки, сиропы). Морская вода — природный раствор, содержащий около 3,5 % растворённых солей. В сельском хозяйстве растворы минеральных удобрений применяются для подкормки растений.

¶Интересные факты

• Морская вода содержит практически все элементы периодической таблицы, включая золото в следовых количествах.
• Стекло считается твёрдым раствором, а не чистым соединением — его состав варьируется в широких пределах.
• Пересыщенный раствор ацетата натрия используется в химических грелках: при нажатии на металлический диск происходит мгновенная кристаллизация с выделением тепла.

¶Источники

• Глинка Н. Л. «Общая химия».
• Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. «Общая и неорганическая химия».
• Ахметов Н. С. «Общая и неорганическая химия».