Растворы


Растворы – это однородные смеси (гомогенные системы) переменного состава, содержащие два или более вещества.

Из составных частей раствора одно вещество считается растворителем, остальные – растворенными веществами. Растворитель – это вещество, в среде которого равномерно распределяются растворенные вещества; растворитель является составной частью раствора и обычно присутствует в большем количестве. Растворитель может образовывать растворы различных растворенных веществ, например растворы разных солей в одном и том же растворителе – воде, а одно и то же растворенное вещество может давать растворы в различных растворителях, например, растворы бромида натрия в воде и этаноле как растворителях.
В отличие от гомогенных смесей – растворов, гетерогенные системы (суспензии, эмульсии и др.) к растворам не относятся, а представляют собой дисперсные системы. Растворы отличаются от дисперстных систем по размерам частиц дисперсной фазы, а также по ряду других отличий:

Истинный раствор
Коллоидный раствор
Суспензия
Молекулярно-дисперсная система. Размер частиц < 1·10-9м. Частицы нельзя обнаружить оптическими методами.
Коллоидно-дисперсная система. Размер частиц 1·10-9 – 1·10-7м. Частицы можно обнаружить с помощью ультрамикроскопа.
Грубодисперсная система. Размер частиц > 1·10-7м. Частицы можно обнаружить визуально или с помощью микроскопа.
Частицы проходят через бумажный фильтр.
Частицы проходят через бумажный фильтр.
Частицы задерживаются бумажным фильтром.

В широком смысле под растворами понимаются гомогенные смеси в любом агрегатном состоянии. В химической практике очень важны жидкие гомогенные системы, приготовленные на основе жидкого растворителя. Именно жидкие смеси в химии обычно называют просто растворами. В качестве же дисперсной фазы для получения жидких растворов могут быть использованы вещества, находящиеся в любом состоянии (твердом, жидком, газообразном).

Пример. Водный раствор оксида углерода (II); водный раствор жидкого этанола; водный раствор твердого гидроксида натрия.

После смешивания жидкого растворителя и растворенного вещества в любом агрегатном состоянии образующаяся гомогенная смесь (раствор) остается жидкой.
Наиболее распространенным и широко применяемым в химической практике растворителем является вода. Кроме нее, но в значительно меньших масштабах в неорганической химии используются жидкий аммиак и жидкий диоксид серы. В органической химии в качестве растворителей применяются этанол, ацетон, тетрахлорид углерода, сероуглерод, бензол и др.
Растворы имеют чрезвычайно большое практическое значение; в лабораторных и промышленных условиях большинство химических реакций проводят в растворах. Кроме того, именно в растворах протекают химические реакции, лежащие в основе обмена веществ в живых организмах.

Растворы делятся на истинные и коллоидные.
В истинных растворах (часто называемых просто растворами) частицы растворенных веществ невидимы ни визуально ни с помощью оптического микроскопа. Частицы относительно свободно передвигаются в среде растворителя. В качестве растворенных веществ в истинных растворах могут содержаться неэлектролиты (глюкоза) в виде молекул и электролиты (хлорид натрия) в виде ионов.
Вещества с относительно большими и сложными по составу молекулами (макромолекулами) способны образовывать отдельные фазы и поэтому давать коллоидные растворы (дисперсные системы). В коллоидных растворах дисперсная фаза обычно находится в виде частиц. имеющих диаметр от 1·10-9 до 1·10-7 м и содержащих от тысяч до миллиарда атомов.

По механизму образования коллоидных частиц различают:
• молекулярные коллоиды, дисперсная фаза – макромолекулярные вещества, не образующие истинных растворов, например белки, полимеры;
• ассоциативные или мицеллярные коллоиды, дисперсная фаза – агрегаты, или ассоциаты молекул, которые самопроизвольно образуются в истинных растворах после достижения некоторого значения концентрации этих фаз, например мыла;
• дисперсионные коллоиды, дисперсная фаза – агрегаты атомов или молекул, которые образуются путем диспергирования компактных веществ или конденсацией частиц в концентрированных истинных растворах.

В принципе все вещества способны переходить в коллоидное состояние. Из органических веществ коллоидные растворы легко образуют белки, а также животные и растительные (камедь – клейкие выделения некоторых растений: вишня, черешня, абрикос, аравийская акация (гуммиарабик), слива и др.), а из неорганических веществ – различно гидратированные формы диоксида кремния. В коллоидно-дисперсных системах частицы достигают достаточно больших размеров и при одностороннем освещении коллоидные растворы кажутся мутными вследствие рассеяния частицами света (эффект Тиндаля). Благодаря светорассеянию коллоидные частицы удается наблюдать в ультрамикроскопе. Коллоидные растворы полностью переходят через бумажный фильтр, однако коллоидные частицы могут быть отделены от растворителя с помощью полупроницаемых мембран (простейший пример – пергаментная бумага), которые пропускают молекулы и ионы обычных размеров, но задерживают коллоидные частицы. Такой метод разделения называется диализом.

Каждая коллоидно-дисперсная система может существовать в двух основных видах:
золь – жидкий коллоидный раствор;
гель – желатинообразная студенистая масса.
Понятие “коллоид” включает в себя как состояние золя, так и состояние геля. В золе коллоидные частицы движутся более или менее свободно. В геле коллоидные частицы связаны друг с другом в рыхлую пространственную сетку и перемещение отдельных частиц затруднено. Структурная сетка придает гелям свойства твердых тел; типичные гели обладают пластичностью и некоторой эластичностью.
Каждый золь может быть превращен в соответствующий гель. Многие гели могут переходить обратно в золи; этот процесс называется пептизацией. Различают обратимые коллоиды (золь ↔ гель) и необратимые коллоиды (золь → гель).
Одной из важнейших характеристик коллоидных растворов является их устойчивость (или неустойчивость). Под устойчивостью дисперсной системы понимают способность ее сохранять постоянный размер частиц и равномерное их распределение по объему дисперсионной среды. Неустойчивость золя проявляется в стремлении частиц к слипанию с образованием крупных агрегатов частиц. Такой процесс называется коагуляцией. Коагуляция заканчивается переводом жидкого коллоидного раствора в гель или выпадением в осадок дисперсной фазы.
Устойчивость коллоидных растворов может быть обусловлена различными факторами. Важную роль в обеспечении устойчивости золей играет электростатическое отталкивание между частицами с одинаковым зарядом. При увеличении зарядов в растворе путем добавления раствора, содержащего большое число ионов, золь коагулирует (разрушается). Коагуляцию коллоидных растворов можно предотвратить добавлением так называемых защитных коллоидов, которыми могут служить некоторые макромолекулярные вещества, например крахмал, желатина. С использованием защитных коллоидов можно приготовить относительно устойчивые коллоидные растворы таких веществ, которые сами по себе не склонны к образованию коллоидов, например коллоидные растворы металлов (серебра, золота и др.).

Приготовление коллоидного раствора в простейшем случае осуществляется растворением геля. Если коллоид необратимый и пептизация невозможна, то пользуются коллоидными мельницами (для измельчения твердых тел) или диспергирующими ультразвуковыми установками (для измельчения металлов).
Коллоидные растворы играют большую роль в процессах жизнедеятельности организмов. Коллоиды приобрели важное значение в технологии. Процессы образования и разрушения коллоидных систем, их физико-химические свойства изучаются специальной областью химической науки – коллоидной химией.


Комментарии закрыты