Растворы: виды, свойства и применение¶

Растворы — это гомогенные (однородные) смеси двух или более компонентов, в которых частицы одного вещества (растворённого) равномерно распределены в объёме другого (растворителя). Растворы образуются в результате физико-химического процесса сольватации, при котором молекулы растворителя взаимодействуют с частицами растворяемого вещества. В отличие от механических смесей, растворы имеют одинаковый состав и свойства во всём объёме, а их компоненты не разделяются под действием гравитации или фильтрацией. Растворы могут находиться в трёх агрегатных состояниях: жидком (наиболее распространённом), твёрдом (сплавы металлов, стекло) и газообразном (воздух, природные газовые смеси).

¶Классификация растворов

¶По агрегатному состоянию

Выделяют жидкие, твёрдые и газообразные растворы. Жидкие растворы — это системы, где растворитель — жидкость (вода, спирт, бензол), а растворённое вещество может быть твёрдым (соль в воде), жидким (спирт в воде) или газообразным (углекислый газ в воде). Твёрдые растворы представляют собой кристаллические фазы переменного состава, например сплавы металлов (латунь — раствор цинка в меди) или минералы. Газовые растворы — это однородные смеси газов, такие как атмосферный воздух.

¶По концентрации

Различают разбавленные растворы (с малым содержанием растворённого вещества) и концентрированные (с высоким содержанием). Концентрация выражается в массовых долях, молярности, моляльности, нормальности или титре. Насыщенным называется раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, когда дальнейшее растворение при данных условиях невозможно. Пересыщенный раствор содержит больше растворённого вещества, чем требуется для насыщения, и является метастабильной системой, легко выделяющей избыток вещества при встряхивании или внесении затравки.

¶По размеру частиц растворённого вещества

Растворы относятся к гомогенным системам, в которых размер частиц не превышает 1 нм. Если частицы крупнее (1–100 нм), систему называют коллоидным раствором или золем, который занимает промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными взвесями.

¶Свойства растворов

¶Физико-химические свойства

Растворение часто сопровождается тепловым эффектом: растворение многих солей (например, нитрата аммония) идёт с поглощением тепла, а растворение кислот и щелочей в воде — с выделением значительного количества теплоты. Объём раствора, как правило, не равен сумме объёмов компонентов (явление контракции), что объясняется перестройкой структуры растворителя.

Важнейшей характеристикой растворов является растворимость — способность вещества образовывать с растворителем гомогенную систему. Растворимость зависит от природы вещества, температуры и давления. Для большинства твёрдых веществ в жидкостях растворимость растёт с температурой; растворимость газов, напротив, уменьшается при нагревании и увеличивается при повышении давления (закон Генри).

¶Коллигативные свойства

Коллигативными называют свойства растворов, зависящие только от числа частиц растворённого вещества, но не от их природы. К ним относятся: понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором (закон Рауля), повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора по сравнению с чистым растворителем (криоскопия и эбуллиоскопия), а также осмотическое давление. Эти свойства лежат в основе определения молярных масс веществ и используются в медицине при создании физиологических растворов.

¶Электролитическая диссоциация

Вещества, которые при растворении в воде распадаются на ионы, называются электролитами. Процесс распада описывается теорией электролитической диссоциации Сванте Аррениуса. Сильные электролиты (соли, сильные кислоты и щёлочи) диссоциируют практически полностью, слабые (уксусная кислота, аммиак) — лишь частично. Растворы электролитов проводят электрический ток, что отличает их от растворов неэлектролитов (сахар, спирт). Степень диссоциации зависит от концентрации, температуры и природы растворителя.

¶Применение растворов

¶В промышленности и технике

Растворы широко используются в химической технологии: процессы абсорбции (поглощение газов жидкостями), экстракции (извлечение веществ из смесей), кристаллизации и выпаривания основаны на свойствах растворов. Гальванотехника (нанесение металлических покрытий) невозможна без растворов электролитов. Твёрдые растворы — основа металлургии: конструкционные стали, чугуны, бронзы и другие сплавы представляют собой растворы легирующих элементов в металле-основе. В строительстве применяются водные растворы цементов, клеев и полимеров. В нефтедобыче растворы используются для бурения скважин (буровые растворы) и повышения нефтеотдачи пластов.

¶В медицине и фармакологии

Физиологический раствор (0,9 %-ный раствор хлорида натрия) применяется для внутривенных инфузий при обезвоживании и как основа для лекарственных препаратов. Раствор Рингера и растворы глюкозы используются для поддержания водно-электролитного баланса. Многие лекарственные средства выпускаются в виде растворов для инъекций, глазных капель или перорального применения. Осмос играет ключевую роль в работе клеток: изотонические растворы не изменяют объём клеток, гипотонические вызывают их набухание, гипертонические — сморщивание (плазмолиз).

¶В сельском хозяйстве и быту

Минеральные удобрения вносятся в почву в виде водных растворов или суспензий. Растворы пестицидов и гербицидов используются для защиты растений. В быту растворы — это моющие средства, уксусная кислота для консервирования, сахарные сиропы, рассолы. Питьевая вода, по сути, представляет собой разбавленный раствор солей и газов.

¶В природе

Природные воды — это сложные растворы, содержащие ионы кальция, магния, натрия, калия, гидрокарбонаты, сульфаты и хлориды. Морская вода содержит около 3,5 % растворённых солей. Минеральные воды — природные растворы с повышенным содержанием биологически активных компонентов. Почвенные растворы обеспечивают питание растений. Процессы выветривания горных пород и формирование карстовых пещер связаны с растворением минералов в воде.

¶Твёрдые растворы в материаловедении

Твёрдые растворы замещения образуются, когда атомы растворённого элемента замещают атомы растворителя в кристаллической решётке. Твёрдые растворы внедрения возникают, когда атомы малого радиуса (углерод, водород, азот) располагаются в междоузлиях решётки. Именно твёрдые растворы внедрения углерода в железе (феррит, аустенит) лежат в основе производства стали. Свойства твёрдых растворов (прочность, твёрдость, коррозионная стойкость) часто превосходят свойства чистых компонентов, что используется при создании новых материалов — от полупроводниковых сплавов (германий-кремний) до жаропрочных никелевых суперсплавов для авиационных турбин.

¶Особые виды растворов

Полимерные растворы обладают высокой вязкостью даже при небольших концентрациях из-за больших размеров макромолекул. Растворы поверхностно-активных веществ (ПАВ) способны образовывать мицеллы — агрегаты из десятков и сотен молекул, что используется в моющих средствах и нефтедобыче. Сверхкритические растворы (например, диоксид углерода в сверхкритическом состоянии) применяются в «зелёной» химии для экстракции кофеина из кофейных зёрен и очистки материалов — они сочетают растворяющую способность жидкостей с низкой вязкостью газов.