Растворы

Растворы - это гомогенные (однородные) смеси, состоящие из двух или более компонентов (составных частей). Отличие раствора от других смесей в том, что молекулы веществ распределяются в нем равномерно и в любом микрообъеме такой смеси состав ее одинаков. На языке химической термодинамики такая смесь называется однофазной. Как и индивидуальные (чистые) вещества, растворы могут быть в жидкой, твердой или газовой фазе (см. Фазы). Например, воздух представляет собой раствор различных газов - азота, кислорода, водорода, углекислого газа, паров воды и др. В то же время частицы пыли, капельки жидкости (туман) не являются компонентами газового раствора, так как внутри пылинки мы нашли бы только твердое вещество, а внутри капельки тумана только жидкость-воду. Таким образом, и пыль и туман - это твердая и жидкая фазы, рассеянные (диспергированные) в растворе газов. Отличие же раствора от чистого вещества состоит в том, что индивидуальное вещество имеет определенные физические константы, например температуры плавления и кипения, определенный химический состав, в то время как физические константы и состав растворов зависят от соотношения их компонентов. Так, плотность раствора соли в воде растет, а температура замерзания падает с увеличением содержания соли.

Чистые вещества при изменении их фазового состояния не изменяют своего химического состава, а при возвращении в исходное фазовое состояние приобретают исходные характеристики. Компоненты же растворов могут разделиться при изменении фазового состояния системы. Так, испарение воды из солевого раствора (операция, издавна применяемая при добыче соли) приводит, с одной стороны, к увеличению содержания (концентрации) соли в оставшемся растворе, а с другой, сконденсировавшаяся вода представляет собой чистое вещество. Дальнейшее испарение воды приведет к выпадению твердой фазы - кристаллов соли.

Процесс образования раствора - растворение - заключается в разрушении взаимодействия между молекулами индивидуальных веществ и образовании новых межмолекулярных связей между компонентами раствора. Растворение возможно только тогда, когда энергия взаимодействия между компонентами раствора больше суммы энергий взаимодействий в исходных веществах. При растворении ионного кристалла поваренной соли в воде полярные молекулы растворителя покрывают ионы как бы шубой диполей (электрических зарядов, равных по величине и противоположных по знаку). Эта так называемая сольватная оболочка полностью разделяет ионы. Общее название такого взаимодействия с растворителем - сольватация. Сольватация приводит к образованию разнообразных связей между молекулами в растворе: ион-дипольной, которая описана выше, диполь-дипольной (например, диполи хлороформа СНСl₃ взаимодействуют с диполями этанола С₂Н₅ОН) или образованию водородных связей (см. Химическая связь). Последнее взаимодействие является одним из самых сильных и играет большую роль при растворении органических и неорганических веществ.

Растворению органических веществ друг в друге способствует схожесть их структур. Старинное химическое правило - подобное растворяется в подобном - объясняется тем, что в этом случае взаимодействия между различными молекулами похожи по типу и близки по энергии к взаимодействиям в исходных веществах. Так, образование водородных связей между молекулами воды и спирта легко компенсирует разрушение водородных связей в исходных веществах при смешении этих жидкостей. Неполярные же молекулы углеводородов не могут внедриться между молекулами воды, соединенными водородными связями, что и исключает их растворение. Часто рас творение не полностью разрушает межмолекулярные связи внутри индивидуальных веществ, и они остаются частично связанными (ассоциированными). Например, органические кислоты по большей части присутствуют в органических неполярных растворителях в виде димеров, связанных водородными связями. Такие ассоциаты разрушаются при дальнейшем разбавлении. При концентрировании раствора ассоциация становится все сильнее, а молекул растворителя не хватает для разделения молекул или ионов растворенного вещества. При этом внутри раствора образуется система межмолекулярных связей исходного индивидуального вещества, которое выделяется в отдельную фазу. Оставшийся раствор, находящийся в равновесии с выделившимся компонентом, называют насыщенным. Повысив температуру, можно разрушить ассоциацию и перевести выпавший компонент в раствор. Однако это не всегда удается сделать.

Неорганические вещества с повышением температуры могут и снижать свою способность к растворению (растворимость). Растворимость твердых веществ в жидкости определяется теплотой растворения,. которая может быть положительной (теплота при растворении выделяется, и с повышением температуры вещество растворяется хуже) или отрицательной (теплота при растворении поглощается, и растворимость с повышением температуры растет). Поскольку в газах межмолекулярные взаимодействия отсутствуют, их способность к взаимному растворению неограниченна. Растворимость же их в жидкостях с повышением температуры падает, так как ослабляются межмолекулярные взаимодействия молекул газа с растворителем.

В природе существуют также твердые растворы. Это в основном сплавы металлов. Физическая причина такого растворения - внедрение атомов одного металла в кристаллическую решетку другого и построение общей кристаллической решетки. Для этого атомы металлов должны быть близки по объему, как, например, атомы меди и золота.