Химическая теория растворов Д. И

Химическая, или сольватная, теория растворов была предложена в 1887 г. Д.И. Менделеевым, который установил, что в реальном растворе присутствуют не только индивидуальные компоненты, но и продукты их взаимодействия. Исследования водных растворов серной кислоты и этилового спирта, проведенные Д.И. Менделеевым, легли в основу теории, суть которой заключается в том, что между частицами растворенного вещества и молекулами растворителя происходят взаимодействия, в результате которых образуются нестойкие соединения переменного состава, называемые сольватами или гидратами , если растворителем является вода. Главную роль в образовании сольватов играют непрочные межмолекулярные силы, в частности, водородная связь.

В этой связи следует принять следующую трактовку понятия «раствор»:

Раствором называется гомогенная система переменного состава, состоящая из двух и более компонентов и продуктов их взаимодействия.

Из данного определения следует, что растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и смесями. С одной стороны, растворы однородны, что позволяет рассматривать их как химические соединения. С другой стороны, в растворах нет строгого стехиометрического соотношения между компонентами. Кроме того, растворы можно разделить на составные части (например, при упаривании раствора NaCl можно выделить соль в индивидуальном виде).

Основные способы выражения концентрации растворов

Количественный состав раствора чаще всего оценивают при помощи понятия концентрации , под которым понимают содержание растворенного вещества (в определенных единицах) в единице массы (объема) раствора (растворителя). Основными способами выражения концентрации растворов являются следующие:

1. Массовая доля вещества  (x )  это отношение массы данного компонента x, содержащегося в системе, к общей массе этой системы:

Единицей количества вещества является моль, т. е. то количество вещества, которое содержит столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа С 12 . При использовании моля как единицы количества вещества следует знать, какие частицы имеются в виду: молекулы, атомы, электроны или другие. Молярная масса М(х)  это отношение массы к количеству вещества (г/моль):

3. Молярная концентрация эквивалента С(x )  это отношение количества эквивалента вещества n(x) к объему раствора V р-ра:

Химический эквивалент – это реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять или высвобождать 1 ион водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях.

Так же, как молекула, атом или ион, эквивалент безразмерен.

Масса моля эквивалентов называется молярной массой эквивалента М(x ). Величина называется фактором эквивалентности . Она показывает, какая доля реальной частицы вещества соответствует эквиваленту. Для правильного определения эквивалента вещества надо исходить из конкретной реакции, в которой это вещество участвует, например, в реакции взаимодействия Н 3 РО 4 с NaOH может происходить замещение одного, двух или трех протонов:

1. H 3 PO 4 + NaOH  NaH 2 PO 4 + H 2 O;

2. H 3 PO 4 + 2NaOH  Na 2 HPO 4 + 2H 2 O;

3. H 3 PO 4 + 3NaOH  Na 3 PO 4 + 3H 2 O.

В соответствии с определением эквивалента, в 1-й реакции замещается один протон, следовательно, молярная масса эквивалента вещества равна молярной массе, т. е. z  l и . В данном случае:

Во 2-й реакции происходит замещение двух протонов, следовательно, молярная масса эквивалента составит половину молярной массы Н 3 РО 4 , т. e. z  2, а
. Здесь:

В 3-й реакции происходит замещение трех протонов и молярная масса эквивалента составит третью часть молярной массы Н 3 РО 4 , т.е. z  3, a
. Соответственно:

В реакциях обмена, где непосредственно не участвуют протоны, эквиваленты могут быть определены косвенным путем, введением вспомогательных реакций, анализ результатов которых позволяет вывести правило, что z для всех реакций равен суммарному заряду обменивающихся ионов в молекуле вещества, участвующего в конкретной химической реакции.

1. AlCl 3 + 3AgNO 3 = Al(NO 3) 3 + 3AgCl.

Для AlCl 3 обменивается 1 ион Al 3+ с зарядом +3, следовательно, z = 13 = 3. Таким образом:

Можно также сказать, что обмениваются 3 иона хлора с зарядом 1. Тогда z = 31 = 3 и

Для AgNO 3 z = 11 = 1 (обменивается 1 ион Ag + с зарядом +1 или обменивается 1 ион NO 3  с зарядом 1).

2. Al 2 (SO 4) 3 + 3BaCl 2 = 3BaSO 4  + 2AlCl 3 .

Для Al 2 (SO 4) 3 z = 23 = 6 (обменивается 2 иона Al 3+ с зарядом +3 или 3 иона SO 4 2  с зарядом 2). Следовательно,

Итак, запись С(H 2 SO 4) = 0,02 моль/л означает, что имеется раствор, в 1 л которого содержится 0,02 моль эквивалента H 2 SO 4 , а молярная масса эквивалента H 2 SO 4 составляет при этом молярной массыH 2 SO 4 , т. е. 1 л раствора содержит
H 2 SO 4 .

При факторе эквивалентности молярная концентрация эквивалента равна молярной концентрации раствора.

4. Титр Т(x ) – это отношение массы вещества к объему раствора (в мл):

6. Мольная доля N(x ) – это отношение количества вещества данного компонента,содержащегося всистеме, к общему количеству веществ системы:

Выражается в долях единицы или в %.

7. Коэффициентом растворимости вещества Р(x ) называют максимальную массу вещества, выраженную в г, которая может раствориться в 100 г растворителя.

Лекция 1.

«ПОНЯТИЕ «РАСТВОР». ХИМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ РАСТВОРОВ»

Растворы имеют важное значение в жизни и практической деятельности человека. Растворами являются все важнейшие физиологические жидкости (кровь, лимфа и т.д.). Организм – сложная химическая система, и подавляющее большинство химических реакций в организме происходит в водных растворах. Именно по этой причине человеческий организм на 70 % состоит из воды, а сильное обезвоживание организма наступает быстро и является очень опасным состоянием.

Многие технологические процессы, например получение соды или азотной кислоты, выделение и очистка редких металлов, отбеливание и окрашивание тканей, протекают в растворах.

Чтобы понять механизм многих химических реакций, необходимо изучить процессы, протекающие в растворах.

Понятие «раствор». Виды растворов

Раствор – твердая, жидкая или газообразная гомогенная система , состоящая из двух или более компонентов.

Гомогенная система состоит из одной фазы.

Фаза - часть системы, отделенная от других ее частей поверхностью раздела, при переходе через которую свойства (плотность, теплопроводность, электропроводность, твердость и т.д.) изменяются скачкообразно. Фаза может быть твердой, жидкой, газообразной.

Наиболее важным видом растворов являются жидкие растворы, но в широком смысле растворы также бывают еще твердые (сплав латунь: медь, цинк; сталь: железо, углерод) и газообразные (воздух: смесь азота, кислорода, углекислого газа и различных примесей).

Раствор содержит не менее двух компонентов, из которых один является растворителем , а другие – растворенными веществами .

Растворитель – это компонент раствора, находящийся в том же агрегатном состоянии, что и раствор. Растворителя в растворе по массе всегда больше, чем остальных компонентов. Растворенное вещество находится в растворе в виде атомов, молекул или ионов .

От растворов отличаются:

Суспензия – это система, состоящая из мелких твердых частиц, взвешенных в жидкости (тальк в воде)

Эмульсия – это система, в которой одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости (т.е. мелкие капли жидкости, находящихся в другой жидкости: например,бензин в воде).

Аэрозоль – газ со взвешенными в нем твердыми или жидкими частицами (туман: воздух и капли жидкости)

Суспензии, эмульсии и аэрозоли состоят из нескольких фаз, они не гомогенны и являются дисперсными системами . Суспезии, эмульсии и аэрозоли – не растворы!

Химическая теория растворов.

Растворитель химически взаимодействует с растворенным веществом.

Химическая теория растворов создана Д.И. Менделеевым в конце ХIХв. на основании следующих экспериментальных фактов:

1) Растворение любого вещества сопровождается поглощением или выделением теплоты. То есть растворение является экзотермической или эндотермической реакцией.

Экзотермический процесс – процесс, сопровождающийся выделением тепла во внешнюю среду (Q>0).

Эндотермический процесс – процесс, сопровождающийся поглощением тепла из внешней среды (Q<0).

(пример : растворение CuSO 4 – экзотермический процесс, NH 4 Cl – эндотермический). Объяснение : чтобы молекулы растворителя могли оторвать частицы растворенного вещества друг от друга, необходимо затратить энергию (это эндотермическая составляющая процесса растворения), при взаимодействии частиц растворяемого вещества с молекулами растворителя энергия выделяется (экзотермический процесс). В результате тепловой эффект растворения определяется более сильной составляющей. (Пример : при растворении 1моль вещества в воде на разрыв его молекул потребовалось 250 кДж, а при взаимодействии образовавшихся ионов с молекулами растворителя выделилось 450 кДж. Каков суммарный тепловой эффект растворения? Ответ: 450-250=200 кДж, экзотермический эффект, т.к. экзотермическая составляющая больше эндотермической).

2) Смешение компонентов раствора с определенным объемом не дает суммы объемов (пример : 50 мл этилового спирта +50 мл воды при смешении дают 95 мл раствора)

Объяснение : благодаря взаимодействию молекул растворенного вещества и растворителя (притяжению, химическому связыванию и т.п.) объем «экономится».

Внимание ! Масса раствора строго равна сумме масс растворителя и растворенных веществ.

3) При растворении некоторых бесцветных веществ образуются окрашенные растворы. (пример : CuSO 4 – бесцветный, дает синий раствор).

Объяснение : при растворении некоторых бесцветных солей образуются окрашенные кристаллогидраты.

Вывод: Растворение – это сложный физико-химический процесс, при котором происходит взаимодействие (электростатическое, донорно-акцепторное, образование водородной связи) между частицами растворителя и растворенных веществ.

Процесс взаимодействия растворителя с растворенным веществом называется сольватацией . Продукты этого взаимодействия – сольваты . Для водных растворов применяются термины гидратация и гидраты .

Иногда при выпаривании воды кристаллы растворенного вещества оставляют часть молекул воды в своей кристаллической решетке. Такие кристаллы называются кристаллогидратами. Записываются так: CuSO 4 *5Н 2 О. То есть, каждая молекула сульфата меди CuSO 4 удерживает около себя 5 молекул воды, встраивая их в свою кристаллическую решетку.

Растворы

Обязательно одним из компонентов является растворитель, остальные компоненты – растворенные вещества.

Растворителем является то вещество, которое в чистом виде имеет то же состояние, что и раствор. Если же таких компонентов несколько, то растворителем является тот, содержание которого в растворе больше.

Растворы бывают:

1. Жидкие (раствор NaCl в воде, раствор I 2 в спирте).

2. Газообразные (смеси газов, например: воздух – 21 % O 2 + 78 % N 2 + 1 % др. газов).

3. Твердые (сплавы металлов, например: Cu + N, Au + Ag).

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ (газообразных, жидких, твердых).

Жидкие растворы

Такие растворы могут быть водные и неводные .

Водные

Неводные

Долгое время на природу растворения существовало две точки зрения: физической и химической. Согласно первой, растворы рассматривались как механические смеси, согласно второй – как нестойкие химические соединения молекул растворенного вещества и растворителя. Последняя точка зрения была высказана Д.И. Менделеевым в 1887 г. и является в настоящее время общепризнанной.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ , созданной Менделеевым, сводятся к следующему:

1. Образование и существование раствора обусловлено взаимодействиями между всеми частицами, как уже существовавшими, так и образующимися при растворении.

2. Раствор является динамической системой, в которой распадающиеся соединения находятся в подвижном равновесии с продуктами распада в соответствии с законом действия масс.

При растворении вещества происходят два процесса, связанные с изменениями энергии системы «вещество – растворитель»:

1) разрушение структуры растворяемого вещества (при этом затрачивается определенная энергия) – реакция эндотермическая.

2) взаимодействие растворителя с частицами растворенного вещества (происходит выделение тепла) – реакция экзотермическая.

В зависимости от соотношения этих тепловых эффектов процесс растворения вещества может быть экзотермическим (∆H < O) или эндотермическим (∆H > O).

Теплота растворения ∆H – это количество теплоты, выделяющееся или поглощающееся при растворении 1 моль вещества.

Теплота растворения для различных веществ различна. Так, при растворении в воде гидроксида калия или серной кислоты температура значительно повышается (∆H < O), а при растворении нитратов калия или аммония резко снижается (∆H > O).

Выделение или поглощение теплоты при растворении есть признак химической реакции. В результате взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называются сольватами (или гидратами , если растворителем является вода). Многие соединения такого вида непрочны, однако, в ряде случаев образуются прочные соединения, которые легко можно выделить из раствора кристаллизацией.

При этом выпадают кристаллические вещества, содержащие в своем составе молекулы воды, их называют кристаллогидратами (например: медный купорос CuSO 4 * 5 H 2 O – кристаллогидрат); вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной.

Представления о гидратации (соединение вещества с водой) было выдвинуто и развито русским ученым И.А. Каблуковым и В.А. Кистяковским. на основе этих представлений произошло объединение химической и физической точек зрения на растворы.

Таким образом, растворение растворы – физико-химические системы.

1.Растворы – гомогенные (однородные) системы переменного состава, которые содержат два или несколько компонентов и продукты их взаимодействия.

2.Растворы состоят из растворителя и растворенного вещества.

3.Растворы бывают:

А)Жидкие (раствор NaCl в воде, раствор I 2 в спирте).

Б)Газообразные (смеси газов, например: воздух – 21 % O 2 + 78 % N 2 + 1 % др. газов).

В)Твердые (сплавы металлов, например: Cu + N, Au + Ag).

Жидкие растворы
жидкость + газообразное вещество (р-р O 2 в воде)	жидкость + жидкое вещество (р-р H 2 SO 4 в воде)	жидкость + твердое вещество (р-р сахара в воде)

Такие растворы могут быть водные и неводные .

5.Водные – растворы, в которых растворителем является вода.

6.Неводные – растворы, в которых растворителями являются другие жидкости (бензол, спирт, эфир и др.)

7.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ РАСТВОРОВ:

1.Образование и существование раствора обусловлено взаимодействиями между всеми частицами, как уже существовавшими, так и образующимися при растворении.

2.Раствор является динамической системой, в которой распадающиеся соединения находятся в подвижном равновесии с продуктами распада в соответствии с законом действия масс.

8.При растворении вещества происходят два процесса, связанные с изменениями энергии системы «вещество – растворитель»:

1.разрушение структуры растворяемого вещества (при этом затрачивается определенная энергия) – реакция эндотермическая.

2.взаимодействие растворителя с частицами растворенного вещества (происходит выделение тепла) – реакция экзотермическая.

9.Выделение или поглощение теплоты при растворении есть признак химической реакции.

10. В результате взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называются сольватами (или гидратами , если растворителем является вода)

11.Кристаллические вещества, содержащие в своем составе молекулы воды, называют кристаллогидратами (например: медный купорос CuSO 4 * 5 H 2 O – кристаллогидрат); вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной

12.Растворение – это не только физический, но и химический процесс, а растворы – физико-химические системы.

Виды растворов (знать).

Растворение – процесс обратимый:

По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор и удаляющихся из раствора, различают растворы насыщенные , ненасыщенные и перенасыщенные .

С другой стороны, по относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяются на разбавленные концентрированные

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор находится в равновесии с растворяемым веществом, называется насыщенным ненасыщенным . В перенасыщенных Растворимостью Мерой растворимости или коэффициентом растворимости вещества при определенной температуре служит число граммов его, растворяющихся в 100 г воды.

По растворимости в воде твердые вещества условно делят на 3 группы:

1. Вещества, хорошо растворимые в воде (10 г вещества в 100, 0 воды. Например, в 1 л воды растворяется 200 г сахара).

2. Вещества, малорастворимые в воде (от 0, 01 до 10 г вещества в 100 г воды. Например: гипс CaSO 4 в 1 л растворяется 2, 0).

3. Вещества, практически нерастворимые в воде (0, 01 г в 100, 0 воды. Например, AgCl – в 1 л воды растворяется 1, 5 * 10 -3 г).

Растворимость вещества зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов).

Растворимость газов при повышении температуры уменбшается, при повышении давления увеличивается.

Зависимость растворимости твердых веществ от температуры показывает кривая растворимости.

Растворимость многих твердых веществ увеличивается при повышении температуры.

По кривым растворимости можно определить:

1. Коэффициент растворимости веществ при различных температурах.

2. Массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t 1 0 C до t 2 0 C.

Процесс выделения вещества путем испарения или охлаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией . Перекристаллизация используется для очистки веществ.

К сожалению, до настоящего времени не существует теории, позволяющей объединить результаты отдельных исследований и вывести общие законы растворимости. Подобное положение в значительной степени обусловлено тем, что растворимость различных веществ очень различно зависит от температуры.

Единственно, чем можно до некоторой степени руководствоваться – это старинным, найденным на опыте правилом: подобное растворяется в подобном . Смысл его в свете современных взглядов на строение молекул состоит в том, что если у самого растворителя молекулы неполярные или малополярные (например, бензол, эфир), то в нем будут хорошо растворяться от вещества с неполярными или малополярными молекулами, хуже – вещества с большей полярностью и практически не будут растворяться вещества, построенные по ионному типу. Наоборот, растворитель с сильно выраженным полярным характером молекул (например, вода) будет, как правило, хорошо растворять вещества с молекулами полярного и отчасти ионного типов и плохо – вещества с неполярными молекулами.

1.Растворение – процесс обратимый: растворяемое вещество + растворитель ↔ вещество в растворе ± Q.

2.По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор и удаляющихся из раствора, различают растворы насыщенные , ненасыщенные и перенасыщенные .

3.По относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяются на разбавленные (содержат мало растворенного вещества) и концентрированные (содержат много растворенного вещества).

4.Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется называется насыщенным , а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества – ненасыщенным . В перенасыщенных растворах вещества содержится больше, чем в насыщенном.

5.Растворимостью называется свойство вещества растворяться в воде и в других растворителях.

6.Растворимость вещества зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов).

4. Способы выражения концентрации растворов: массовая доля

(знать).

Количественный состав раствора определяется его концентрацией.

Концентрация – это количество растворенного вещества, отнесенное к единице объема.

Различают два типа обозначений концентрации веществ – аналитические и технические.

конце XIX века растворы считались физическими образованиями, в которых отсутствуют какие-либо взаимодействия между растворителем и растворенным веществом. Образование раствора объяснялось диспергированием частиц растворенного вещества в индифферентной среде растворителя. Основоположниками этих взглядов были такие известные ученые, как Я. Вант-Гофф, С. Арре-ниус и В. Оствальд. В 1887 году великий русский химик Д. И. Менделеев, опираясь на многочисленные экспериментальные данные, создал химическую (гидратную) теорию растворов. Основой этой теории была идея о химическом характере растворения. В растворе образуются соединения между растворенным веществом и растворителем, изменяющие свой состав с изменением температуры и концентрации. Эти соединения были названы Д. И. Менделеевым гидратами, или - сольватами. Образующиеся гидраты имеют различную прочность. Большинство из них неустойчиво и существует только в растворах. Однако некоторая часть гидратов является настолько прочными соединениями, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав растущего кристалла в химически связанном виде. Такие кристаллы были названы кристаллогидратами, а входящая в их состав вода - кристаллизационной. Примерами кристаллогидратов являются CuS04 5Н20; Na2S04 ЮН20 и др. Прочность образующихся соединений определяется силами, действующими между растворителем и растворенным веществом. В настоящее время известна природа этих сил. СольватЫ (гидраты) образуются за счет ион-дипольного, диполь-ди-польного, донорно-акцепторного взаимодействия, за счет водородных связей, а также дисперсионного взаимодействия. Менделеев не отрицал роль физического фактора при образовании растворов. Он писал: «Две указанные стороны растворения (физическая и химическая) и гипотезы, до сих пор приложенные к рассмотрению растворов, хотя имеют отчасти различные исходные точки, со временем приведут к общей теории растворов, потому что одни общие законы управляют как физическими, так и химическими явлениями». Взгляды Д. И. Менделеева полностью подтвердились. В настоящее время процесс растворения рассматривают как физико-химический процесс, а растворы - как физико-химические системы. Химическая теория растворов Д. И. Менделеева позволяла объяснить наличие тепловых эффектов, возникающих при процессах растворения веществ. Тепловой эффект процесса растворения (ДНраств) можно представить в виде суммы теплоты, необходимой для разрушения кристаллической решетки вещества (ДНре1:1) и теплоты, выделяющейся в процессе сольватации (ДНсольват), т. е. AHp^ является значительной эндотермической величиной, а ДНС0ЛЬВ близкая к ней по значению экзотермическая величина. Исходя из этого, конечный знак теплового эффекта процесса растворения будет определяться величиной вклада каждого из этих параметров. При растворения эндотермичен. Это можно наблюдать, например, при растворении в воде нитратов калия и аммония, хлорида калия и др. При процесс растворения экзотермичен. Примером этого является растворение в воде хлоридов кальция и магния, гидроксидов натрия и калия и др. Итак, знак теплового эффекта определяется природой растворенного вещества и растворителя, глубиной их взаимодействия между собой. Наличием химического взаимодействия между компонентами объясняются и объемные эффекты при растворении. Так, при растворении 1 л этилового спирта в 1 л воды объем образующегося раствора оказывается равным не 2 л, а 1,93 л. В этом случае уменьшение объема обусловлено, в основном, образованием водородных связей между гидроксильными группами воды и спирта.

Раствор - это гомогенная система, содержащая не менее двух веществ. Существуют растворы твердых, жидких и газообразных веществ в жидких растворителях, а также однородные смеси (растворы) твердых, жидких и газообразных веществ. Как правило, вещество, взятое в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке, - растворенным веществом.

В зависимости от агрегатного состояния растворителя различают газообразные, жидкие и твердые растворы.

Газообразный раствор - это прежде всего воздух, а также другие смеси газов.

К жидким растворам относят гомогенные смеси газов, жидкостей и твердых тел с жидкостями.

Твердые растворы представлены сплавами, а также стеклами.

На практике большое значение имеют жидкие растворы (смеси жидкостей, где растворитель - жидкость). Из неорганических веществ самый распространенный растворитель - вода. Из органических веществ в качестве растворителей применяют метанол, этанол, диэтило- вый эфир, ацетон, бензол, четыреххлористый углерод и другие.

Под действием хаотически движущихся частиц растворителя частицы (ионы или молекулы) растворяемого вещества переходят в раствор, образуя благодаря беспорядочному движению частиц качественно новую однородную (гомогенную ) систему. Растворимость в разных растворителях - характеристическое свойство вещества. Одни вещества могут смешиваться друг с другом в любых соотношениях (вода и спирт), другие имеют ограниченную растворимость (хлорид натрия и вода).

Рассмотрим растворение твердого вещества в жидкости. В рамках молекулярно-кинетической теории при внесении твердой поваренной соли в растворитель (например, в воду) ионы Na + и С1“, находящиеся на поверхности, взаимодействуя с растворителем (с молекулами и другими частицами растворителя), могут отрываться и переходить в раствор. После удаления поверхностного слоя процесс распространяется на следующие слои твердого вещества. Так постепенно частицы переходят из кристалла в раствор. Разрушение ионных кристаллов NaCl в воде, состоящей из полярных молекул, показано на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Разрушение кристаллической решетки NaCl в воде. а - атака молекул растворителя; б - ионы в растворе

Частицы, перешедшие в раствор, распределяются благодаря диффузии по всему объему растворителя. В то же время по мере увеличения концентрации частицы (ионы, молекулы), находящиеся в непрерывном движении, при столкновении с твердой поверхностью еще не растворившегося твердого вещества могут задерживаться на ней, т. е. растворение всегда сопровождается обратным процессом - кристаллизацией. Может наступить такой момент, когда одновременно из раствора выделяется столько же частиц (ионов, молекул), сколько их переходит в раствор, т. е. наступает равновесие.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т. е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно дополнительно растворить некоторое количество данного вещества, - ненасыщенным.

Насыщенный раствор содержит максимально возможное (для данных условий) количество растворенного вещества. Концентрация вещества в насыщенном растворе - величина постоянная при данных условиях (температура, растворитель), она характеризует растворимость вещества ; подробнее см. § 6.4.

Раствор, в котором содержание растворенного вещества больше, чем в насыщенном растворе при данных условиях, называют пересыщенным. Это неустойчивые, неравновесные системы, которые самопроизвольно переходят в равновесное состояние, и при выделении в твердом виде избытка растворенного вещества раствор становится насыщенным.

Насыщенный и ненасыщенный растворы нельзя путать с разбавленным и концентрированным. Разбавленные растворы - растворы с небольшим содержанием растворенного вещества; концентрированные растворы - растворы с высоким содержанием растворенного вещества. Необходимо подчеркнуть, что понятия разбавленный и концентрированный растворы относительные и основаны на качественной оценке соотношения количеств растворенного вещества и растворителя в растворе (иногда раствор называют крепким и слабым в том же смысле). Можно сказать, что эти определения возникли из практической необходимости. Так, говорят, что раствор серной кислоты H 2 S0 4 концентрированный (крепкий) или разбавленный (слабый), но, при какой концентрации раствор серной кислоты нужно считать концентрированным, а при какой разбавленным, точно не определено.

При сравнении растворимости различных веществ видно, что в случае малорастворимых веществ насыщенные растворы разбавленные, в случае хорошо растворимых веществ их ненасыщенные растворы могут быть довольно концентрированными.

Например, при 20 °С в 100 г воды растворяется 0,00013 г карбоната кальция СаС0 3 . Раствор СаС0 3 при этих условиях насыщенный, но весьма разбавленный (его концентрация очень мала). Но вот пример. Раствор 30 г поваренной соли в 100 г воды при 20 °С ненасыщенный, но концентрированный (растворимость NaCl при 20 °С 35,8 г в 100 г воды).

В заключение отметим, что здесь и далее (кроме § 6.8) речь пойдет об истинных растворах. Частицы, из которых состоят такие растворы, настолько малы, что их нельзя увидеть; это атомы, молекулы или ионы, их диаметр обычно не превышает 5 нм (5 10~ 9 м).

И последнее о классификации растворов. В зависимости от того, электронейтральные или заряженные частицы присутствуют в растворе, растворы могут быть молекулярными (это растворы неэлектролитов) и ионными {растворы электролитов). Характерное свойство растворов электролитов - электропроводность (они проводят электрический ток).