Жидкий раствор
Жидкий раствор — раствор веществ в жидкой агрегатной фазе.
Жидкие растворы, как и жидкие вещества, обладают внутренней структурой ближнего порядка. При этом структура разбавленных растворов ближе к структуре растворителя, а концентрированных — к структуре растворенного вещества.
Сольваты и гидраты[править]
Комплексные соединения, в которых частицы растворенного вещества связаны с частицами растворителя, называются сольватами, а если растворитель — вода, то гидратами.
Основу теории жидких растворов как сольватов заложил Дмитрий Иванович Менделеев.
Сольватация[править]
Распад вещества на сольватированные ионы под действием молекул растворителя называется ионизацией вещества в растворах или электролитической диссоциацией.
Распад на ионы связан либо с явлением диссоциации (разъединения), либо с явлением ионизации (образования ионов). Так, при растворении ионных соединений (поскольку они уже состоят из ионов) имеет место диссоциация. Роль растворителя в этом случае заключается в создании условий для разъединения ионов противоположного знака и в препятствовании процессу молизации. Диссоциация ионных соединений протекает тем легче, чем полярнее молекулы растворителя.
При распаде ковалентных соединений на ионы происходит гетеролитический разрыв связи, т.е. ионизация. Каждое вещество в данном растворителе и при данных условиях характеризуется определенной степенью ионизации(отношение числа молей ионизированного вещества к общему числу молей растворенного).
Наиболее сильно ионизирующими растворителями являются вода, жидкие аммиак и фторид водорода (потому что диполи и потому что образуют водородную связь).
Последующее взаимодействие между частицами растворенного вещества и растворителя называется сольватацией. В результате сольватации образуются сольватированные комплексы (сольваты), в водных растворах - гидратированные аквакомплексы. Образование катионных аквакомплексов обычно объясняется донорно-акцепторным взаимодействием катиона с молекулами воды, а анионных аквакомплексов — водородной связью.
Координационное число центральных ионов в аквакомплексах в разбавленных растворах (т.е. при достаточном количестве молекул воды) в общем случае соответствует значению характерного координационного числа катиона (акцептора) и аниона (донора).
Виды сольватации[править]
Время жизни сольватов определяется характером и интенсивностью межмолекулярных взаимодействий, но обычно очень маленькое из-за обмена частицами в сольватной оболочке. В соответствии с типами межмолекулярного взаимодействия выделяют неспецифическую и специфическую сольватацию. Неспецифическая сольватация обусловлена ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, специфическая сольватация проявляется главным образом вследствие электростатических взаимодействий и водородных связей.
Энергетический эффект образования жидкого раствора[править]
При растворении разрушается связь между частицами растворяемого вещества, что связано с затратой энергии. В то же время протекает процесс сольватации, который сопровождается, наоборот, выделением энергии. Общий баланс может быть и положительным, и отрицательным.
При растворении газов и жидкостей теплота обычно выделяется. В частности, с выделением теплоты протекает смешение воды и спирта. При растворении в воде твердых веществ теплота может и выделяться и поглощаться, поэтому нагревание может как способствовать растворимости, так и препятствовать. Если растворение вещества сопровождается выделением теплоты, то при нагревании его растворимость падает. Если же вещества растворяются с поглощением теплоты, то нагревание вызывает увеличение растворимости. Зависимость растворимости в воде от температуры обычно известна экспериментально и сообщается в справочниках табличным способом.
При растворении происходят также и другие процессы, такие как изменение объема, окраски и других свойств раствора по сравнению со свойствами входящих в него веществ, поэтому с определенной точки зрения растворы являются переходным звеном между химическими веществами и смесями.
Температура замерзания и температура кипения раствора[править]
При растворении нелетучего вещества температура кипения раствора повышается по сравнению с растворителем, а температура замерзания снижается.
Исследование свойств разбавленных растворов неэлектролитов показало, что понижение давления пара, повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания обусловлены только числом растворенных частиц в определенном объеме данного растворителя и не зависят от природы растворенного вещества. Зависимость изменений температур кипения и замерзания от концентрации описывают законы Рауля, согласно которым изменения в температурах кипения и замерзания прямо пропорциональны молярной концентрации растворенного вещества.
Пусть разность между температурой кристаллизации растворителя T°fr и температурой начала кристаллизации раствора Tfr, m - молярная концентрация, тогда:
Аналогично и для температуры замерзания.
Коэффициенты пропорциональности, зависящие от природы растворителя, называют криоскопической (для температуры замерзания) и эбулиоскопической (для температуры кипения) константами. Для воды криоскопическая константа равна 1.86, эбулиоскопическая равна 0.52.
Если вместо молярной концентрации в формулу подставить ее выражение через массу и молярную массу (M/m), то можно по изменению температуры кипения подсчитывать молярную массу растворенного вещества, что позволяет определить это вещество.
Для растворов электролитов изменения температур кипения и замерзания всегда больше вычисленных по законам Рауля, что объясняется ионизацией электролита (данный факт лежит в основе теории ионизации).