Часть первая Физическая химия (стр. 19 )

Критическую температуру растворения иногда исполь­зуют для проведения аналитических определений. Напри­мер, чтобы отличить маргарин от коровьего масла, по­скольку критические температуры растворения их сильно отличаются друг от друга.

Примером практически нерастворимых жидкостей мо­жет служить смесь масла с водой или ртути с водой как жидкостей с резко различной природой (полярная во­да — неполярное масло).

Особый интерес представляет растворимость различ­ных веществ в двухслойных системах, состоящих из двух практически нерастворимых жидкостей. Если, например, к системе, состоящей из воды и чётыреххлористого угле­рода, прибавить небольшое количество иода, который хорошо растворяете в ССl4 и плохо растворяется в воде, то после взбалтывания иод будет содержаться в обоих слоях жидкости. При этом содержание иода в воде C1 в несколько раз меньше содержания иода в чётыреххлористом углероде С2. При введении дополнительных коли­честв иода концентрация его в жидкостях увеличивается (в пределах, ограниченных его растворимостью в этих растворителях). Однако соотношение концентраций C1/С2 практически остается неизменным. Если изменять соот­ношение между взятыми растворителями прибавлением воды или ССl4, то и в этом случае отношение концентра­ций остается прежним и постоянным, т. е.

    (V.6)

где K — постоянная величина, называемая коэффициен­том распределения. Таким образом, отношение концент­раций вещества, распределяющегося между двумя несмешивающимися жидкостями, является для каждой тем­пературы величиной постоянной, не зависящей от абсолютных и относительных количеств каждого из раст­ворителей и распределяемого вещества. Эта зависимость называется законом распределения.

Закон распределения позволяет найти более выгод­ные условия процесса экстрагирования. Экстрагирование (экстракция) — это метод извлечения растворенного ве­щества взбалтыванием с другим несмешивающимся растворителем, в котором данное вещество растворяется го­раздо лучше. При экстрагировании никогда не удается извлечь вещество полностью. Как показывает опыт, пол­нота экстрагирования выше, если раствор обрабатывать многократно малыми порциями растворителя, отделяя каждый раз полученный экстракт от первоначального раствора, чем при однократной обработке раствора сразу большой порцией растворителя.

Экстракция применяется во многих областях промыш­ленности и лабораторных исследованиях. На экстракции основано извлечение сахара из свеклы, масел из семян, многих веществ при обработке пищевых продуктов (пас­серование овощей).

 Растворимость твердых веществ. Процесс растворения твердых веществ в жидкостях состоит в разрушении кристаллической решетки и диффузии вещества в объем. При этом под влиянием растворителя от поверхности твердого вещества постепенно отрываются отдельные мо­лекулы или ионы и равномерно распределяются по всему объему раствора.

На скорость растворения влияет площадь поверхности соприкосновения: чем она больше, тем быстрее идет растворение. Вторым фактором, влияющим на скорость растворения, является температура, повышение которой (за редкими исключениями) увеличивает скорость растворения. 

Самопроизвольное растворение твердых веществ, как правило, идет медленно, поэтому скорость их растворе­ния увеличивают измельчением растворяемого вещества, перемешиванием и повышением температуры раствора.

Растворимость твердых тел зависит от природы растворителя и растворяемого вещества. Так, ионные и по­лярные вещества, как правило, хорошо растворяются в полярных растворителях (соли в воде). А неполярные вещества лучше растворяются в неполярных растворите­лях (каучук в бензоле), и наоборот, полярные вещества плохо растворяются в неполярных растворителях.

Растворимость твердых веществ всегда ограничена, Это значит, что в данном объеме жидкости может раствориться строго определенное количество твердого вещества. По растворимости в воде твердые вещества под­разделяются на растворимые: сахароза, фруктоза, хло­рид натрия и др.; малорастворимые: гидроксид кальция, хлорид свинца и др.; практически нерастворимые: суль­фат бария» карбонат кальция и т. п. Абсолютно нераст­воримых веществ в природе не существует.

По мере увеличения концентрации раствора скорость растворения уменьшается, так как начинает протекать обратный процесс — кристаллизация. Если растворитель соприкасается с большим количеством растворяемого ве­щества, то через некоторое время раствор становится насыщенным.

В насыщенном растворе протекает одновременно два противоположных процесса: растворение и кристаллиза­ция. При постоянной температуре скорость растворения и скорость кристаллизации равны.

Концентрация насыщенного раствора при постоянной температуре есть величина постоянная. Эта концент­рация и характеризует растворимость данного ве­щества.

Можно получить и пересыщенные растворы, т. е. та­кие, концентрация которых больше концентрации насы­щенного при данных условиях раствора. Такие растворы получают осторожным и медленным охлаждением нена­сыщенных растворов, концентрация которых близка к насыщению. При этом растворимость вещества понижа­ется и концентрация его окажется большей, чем в его на­сыщенном растворе при такой же температуре. Эти раст­воры представляют собой системы, находящиеся в. кажущемся равновесии (ΔG>0), поэтому они очень не­устойчивы. Достаточно встряхивания, попадания пыли или кристаллов этого же вещества, как в растворе происходит мгновенная кристаллизация: избыток растворен­ного вещества выпадает в осадок и раствор становится насыщенным.

§ 16. Свойства растворов

Вещества по способности проводить электрический ток в расплавленном и растворенном состоянии делятся на электролиты и неэлектролиты. Электропроводность электролитов объясняется тем, что их молекулы в раст­ворах и расплавах распадаются на положительно и отри­цательно заряженные ионы. Молекулы неэлектролитов на ионы не распадаются, поэтому их растворы не прово­дят электрический ток.

Рассмотрим некоторые свойства разбавленных раст­воров.

 Диффузия и осмос. В сильно разбавленных раство­рах молекулы растворенного вещества практически не взаимодействуют друг с другом, так как силы притяже­ния между молекулами в растворе почти отсутствуют из-за того, что среднее расстояние между ними велико по сравнению с их собственными размерами. Этим объясня­ется, почему поведение молекул в разбавленном раство­ре во многих отношениях аналогично поведению идеаль­ного газа. Аналогия с газами проявляется, например, в способности растворенного вещества равномерно распре­деляться по всему объему раствора. Поэтому разбавлен­ные растворы подчиняются законам идеальных газов. Свойства таких растворов не зависят от природы раст­воренного вещества, а определяются лишь их концент­рацией.

Так, если поместить в сосуд концентрированный раст­вор сахара, а на него осторожно налить слой чистой во­ды, то молекулы сахара, совершая хаотическое движе­ние, постепенно равномерно распределяются по всему объему жидкости. Одновременно с этим и молекулы во­ды проникают в слой концентрированного раствора са­хара, разбавляя его. Такой процесс идет до тех пор, пока не произойдет полного выравнивания концентрации са­хара во всем объеме раствора. Самопроизвольное вырав­нивание концентрации растворенного вещества в растворе называется диффузией. Диффузия происходит также и при смешении растворов разных концентраций. И во всех случаях диффузия совершается из области большей концентрации в сторону меньшей.

Термодинамически диффузия является самопроиз­вольным и необратимым процессом, сопровождающимся увеличением энтропии системы. С молекулярно-кинетической точки зрения диффузия является следствием теп­лового движения частиц растворенного вещества, приво­дящего к выравниванию концентраций.

Диффузия в растворах отличается от диффузии в газах меньшей скоростью вследствие большой вязкости растворов.

Диффузия играет важную роль в жизнедеятельности организмов, в природных и технологических процессах.

Так, перемещение различных питательных веществ и про­дуктов обмена в живых организмах связано с диффузией. В технологии приготовления пищи явление диффузии имеет место при вымачивании рыбы, извлечении экстрак­тивных веществ, при варке пищевых продуктов и т. д.

Диффузия идет и в том случае, если раствор и чистый растворитель или растворы разной концентрации разде­лены полупроницаемой мембраной — особой пленкой, обладающей способностью пропус­кать молекулы растворителя, кото­рые, как правило, меньше молекул растворенных веществ, и не пропус­кать молекулы растворенного веще­ства.

Если поместить концентрирован­ный раствор сахара в опрокинутую воронку, закрытую снизу полупро­ницаемой мембраной и соединенную узким концом со стеклянной труб­кой (рис. 19), то, опустив воронку с раствором сахара в стакан с чистой водой, через некоторое время можно  заметить увеличение объема раствора в воронке по повышению уровня жидкости в трубке. Анализ воды в стакане показывает отсутствие сахара. Следовательно, перемещение молекул воды через полупроницаемую мембрану позволяет сделать вывод об односторон­нем переходе растворителя. Такой односторонний пере­ход растворителя через полупроницаемую мембрану из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией называют осмосом.

Процесс идет до того момента, пока количество моле­кул растворителя, перемещающихся в ту и другую сто­рону, не станет одинаковым. Наступает состояние дина­мического равновесия, и дальнейший подъем жидкости прекращается.

Сила, обусловливающая осмос, называется осмотическим давлением. Величина осмотического давления раствора определяется тем внешним давлением, которое нужно приложить к раствору, чтобы осмос прекратился. В описанном опыте осмотическое давление может быть оценено давлением столба жидкости в вертикальной трубке над уровнем раствора (см. рис. 19). Величину осмотического давления измеряют в атмосферах или в миллиметрах ртутного столба, а в системе СИ в паскалях (Па). Прибор, приведенный на рис. 19, может слу­жим, для определения осмотического давления и назы­вается осмометром.