Дисперсные системы. Растворы (стр. 1 )

8. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. РАСТВОРЫ

8.1. Дисперсные системы и их классификация

В лабораториях и промышленности чаще всего имеют дело не с индивидуальными веществами, а с гомогенными или гетерогенными смесями двух или более веществ.

Системы, в которых одно или несколько веществ в виде мелких частиц распределены в другом веществе, называют дисперсными. Дисперсные системы состоят из дисперсионной среды и дисперсной фазы. Дисперсионная среда – вещество, образующее сплошную непрерывную фазу, в которой происходит распределение другого вещества в виде раздробленных частиц того или иного размера – (дисперсной фазы).

Вещество, которое распределяется в дисперсионной среде, называется дисперсной фазой (понятие «фаза» здесь не строгое).

Существуют две классификации дисперсных систем: 1) по размеру распределяемых частиц; 2) по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы.

По размеру частиц дисперсной фазы системы делят на следующие.

1. Истинные растворы. Размер частиц меньше 10 ­­­­­-9 м (ионная или молекулярная степень раздробленности, гомогенная система). В истинных растворах степень «дробления» вещества соответствует размерам молекул (ионов), следовательно, исчезает поверхность раздела и система становится гомогенной (однородной).

2. Коллоидные растворы. Размер частиц составляет 10-7 - 10-9 м (микрогетерогенные, тонкодисперсные системы, довольно устойчивы).

3. Грубодисперсные системы (суспензии, взвеси, эмульсии). Размер частиц больше 10-7 м. Для грубодисперсных систем размер частиц дисперсной фазы значительный, что позволяет им сохранять все свойства фазы, поэтому такие системы и рассматриваются как гетерогенные (гетерогенные системы неустойчивы, ΔG>0).

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию приведена в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Примеры
1	2	3
Газ	Газ Жидкость Твердое тело	Газовые смеси Туманы, облака Пыль, дым

Продолжение табл. 8.1

1	2	3
Жидкость	Газ Жидкость (несмешивающиеся жидкости) Твердое тело (нерастворимое в данной жидкости)	Пена Эмульсии (молоко, крема, нефть) Суспензии, взвеси (глина в воде)
Твердое тело	Газ Жидкость Твердое тело	Твердые пены (пенопласты, пемза, пеностекло) Твердые эмульсии (вода в парафине, жемчуг) Сплавы, твердые растворы

8.2. Общая характеристика растворов

В окружающем нас мире растворы встречаются повсеместно: воздух представляет собой газообразный раствор О2, СО2 и других веществ в азоте; морская вода – водный раствор целого ряда веществ (минеральных солей, газов, органических соединений); чугун – твердый раствор углерода в железе и т. д. Множество различных растворов содержится в организме человека и животных. Если мы проанализируем известные нам химические реакции, то обнаружим, что большинство из них протекает в растворах. Поэтому изучение природы растворов важно со всех точек зрения: научной, экологической, экономической и других.

Раствор – многокомпонентная, однофазная, равновесная система переменного состава.

Растворы термодинамически устойчивы, равновесны (ΔG=0; свободная энергия Гиббса минимальна).

Растворы могут существовать в любом агрегатном состоянии – твердом, жидком или газообразном.

Компонентами раствора являются растворитель (среда) и растворенное вещество (или несколько веществ), равномерно распределенные в растворителе в виде молекул, атомов или ионов.

Растворителем принято считать вещество, агрегатное состояние которого в процессе образования раствора не меняется. При одинаковом агрегатном состоянии всех компонентов раствора растворителем считают то вещество, концентрация которого выше.

Поскольку жидкие растворы имеют наибольшее распространение, и применение, остановимся более подробно на их свойствах.

Важной характеристикой любого раствора является его состав, который выражается концентрацией.

8.3. Способы выражения концентрации растворов

Концентрация раствора определяет отношение количества (моль) или массы (г) данного компонента в растворе к массе или объему раствора либо растворителя.

В химической практике используются различные виды выражения концентрации растворов:

1. Массовая доля или процентная концентрация вещества В, ω (B) – отношение массы данного компонента m (B) к массе всего раствора mр-ра:

Массовая доля выражается в долях единицы или процентах1. Масса раствора складывается из массы растворителя и массы растворенных веществ (одного или нескольких).

2. Молярная доля или мольная доля вещества B, N(B) - отношение количества вещества данного компонента - nB, содержащегося в растворе, к общему количеству всех компонентов раствора ():

.

Выражается в долях единицы или процентах1.

В простейшем случае для системы растворитель – одно растворенное вещество: n1 – количество вещества растворителя, моль; n2 – количество растворенного вещества, моль. Тогда

- мольная доля растворителя;

- мольная доля растворенного вещества.

Сумма мольных долей N1+N2=1; всегда .

3. Молярная концентрация вещества B или молярность, С(B) – отношение количества данного компонента – νB, содержащегося в растворе, к объёму раствора Vр-ра:

.

Выражается в моль/л и обозначается буквой М.

4. Молярная концентрация эквивалента вещества B или нормальная концентрация, Сэ(B) – отношение количества эквивалента данного компонента– νэ B, содержащегося в растворе, к объёму раствора Vр-ра:

.

Выражается в моль/л или обозначается Н.

5. Моляльная концентрация вещества B или моляльность, Cт(B) - отношение количества вещества данного компонента - νB, содержащегося в растворе, к массе растворителя (в кг) mр-ля:

.

Выражается в моль/кг.

6. Титр раствора по веществу В, Т(В) – отношение массы данного компонента (в граммах) - mв, содержащегося в растворе, к объёму раствора (в мл или см3) – Vр-ра:

.

Выражается в г/мл или г/см3.

8.4. Растворимость

Способность одного вещества растворяться в другом при заданных условиях имеет количественное выражение, называемое растворимостью. Растворимость данного вещества равна его концентрации в насыщенном растворе при данной температуре. Часто растворимость дается как масса растворенного вещества в насыщенном растворе, приходящаяся на 100 г массы растворителя, или как молярная концентрация растворенного вещества в насыщенном растворе (в этом случае растворимость обозначается S, выражается в моль/л).

Насыщенным раствором называется такой раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворяемого вещества. Понятие «насыщенный раствор» связано с обратимостью процесса растворения. На границе раздела фаз растворяемое вещество – раствор одновременно идут два процесса: растворение и выделение вещества из раствора. Если скорости этих процессов равны, то система находится в состоянии динамического равновесия (Vр-ния=Vкрист), отвечающего насыщению раствора.

Если концентрация вещества в растворе при заданных условиях меньше его растворимости, то раствор является ненасыщенным. Скорость растворения при контакте вещества с растворителем больше скорости выделения вещества из раствора (Vр-ния>Vкрист).

При определенных условиях можно получить раствор, концентрация вещества в котором больше растворимости (осторожное и медленное охлаждение насыщенных при высокой температуре растворов). Такой раствор называют пересыщенным. Контакт раствора с веществом вызывает выделение вещества из раствора (Vр-ния<Vкрист). Концентрация пересыщенного раствора падает до тех пор, пока не становится равной растворимости вещества при данных условиях. Пересыщенные растворы весьма неустойчивы. Простое сотрясение сосуда или введение в раствор кристаллика соли вызывает выпадение в осадок избытка растворенного вещества.

Растворимость различных веществ в воде изменяется в широких пределах. Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество принято называть хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества – малорастворимым, и наконец, - практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества.