Размешивание вещества: растворы
В этой главе…
В повседневной жизни мы довольно часто сталкиваемся с растворами. Воздух, которым мы дышим, вода, текущая из крана, — это растворы. Любой напиток — и безалкогольный и крепкий — тоже является раствором. В этой главе рассматриваются свойства растворов, а также способы выражения состава раствора. Кроме того, здесь речь идет о кол-лигативных свойствах растворов, а также описывается, как эти свойства связаны с антифризом и с изготовлением мороженого. Так что откиньтесь на спинку кресла, потягивайте свой любимый раствор и с удовольствием читайте все, что здесь написано.
Растворенные вещества, растворители и растворы
Раствор представляет собой твердую или жидкую гомогенную (однородную) систему, состоящую из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Например, если растворить сахар в воде и хорошо размешать, то количественный и качественный состав любой пробы будет в основном одинаковым.
Всякий раствор состоит из растворителя и, как минимум, одного растворенного вещества. Растворитель — это среда, в которой растворенное вещество равномерно распределено в виде молекул или ионов. Обычно растворителем считают тот компонент, который в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (например, в водном растворе соли растворителем является вода). Если же оба компонента до растворения находились в одинаковом агрегатном состоянии (например, спирт и вода), то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве. Данное определение подходит для большинства случаев, за исключением нескольких сильно растворимых солей, например хлорида лития: 5 г этой соли можно растворить в 5 мл воды. Однако даже в этом случае вода считается растворителем, поскольку она не меняет своего агрегатного состояния. Кроме того, раствор может состоять из нескольких веществ. Например, можно растворить в воде соль и получить солевой раствор, в котором затем растворить некоторое количество сахара. В данном случае два вещества — соль и сахар — будут растворены в одном и том же растворителе — воде.
Как правило, слово «растворы» у большинства людей ассоциируется с жидкостями. Однако существуют и газовые растворы. Например, наша атмосфера является раствором. Поскольку почти 79% воздуха составляет азот, этот газ считается растворителем, а кислород, диоксид углерода и другие газы — растворенными веществами. Имеются и твердые растворы. В частности, сплавы представляют собой раствор одного металла в другом. Например, латунь — это раствор цинка в меди.
Процесс растворения
Почему в одном веществе что-то растворяется, а в другом — нет? Например, нефть и вода друг с другом не смешиваются и раствора не образуют, в то время как в керосине нефть растворяется. Есть общее правило растворимости, согласно которому подобное растворяет подобное. Здесь «подобное» относится к полярности растворителя и растворенных веществ. Вода, например, является соединением с полярной ковалентной связью и имеет дипольную структуру, которая образуется благодаря положительно и отрицательно заряженным концам ее молекул. (Более подробно о воде и о ее полярной ковалентной связи речь идет в главе 7, «Ковалентные связи: поделимся по-братски».) Вода растворяет полярные вещества, например соли и спирты. Что же касается нефти, то ее в основном образуют вещества с неполярными связями. Поэтому нефть не может растворяться в воде.
Как правило, каждый из нас на собственном опыте не раз убеждался, что существует предельное количество вещества, которое можно растворить в данном количестве растворителя. Например, можно положить в чай со льдом слишком много сахара. Как бы вы ни размешивали сахар, какая-то его часть все равно останется на дне стакана. Причина заключается в том, что сахар достиг максимальной растворимости в воде при данных условиях. Растворимость — это способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости служит максимальное количество вещества, растворенного в определенном количестве растворителя при данных условиях. Растворимость обычно измеряется в граммах вещества на 100 миллилитров растворителя (г/100 мл).
Если чай со льдом нагревать, то сахар на дне быстро растворится. Растворимость зависит от температуры. Для твердых веществ, растворяющихся в жидкостях, с повышением температуры растворимость обычно возрастает. Однако растворимость газов в жидкостях (например, кислорода в воде) с повышением температуры уменьшается. Это явление лежит в основе термального загрязнения: при повышении температуры количество растворенного в воде кислорода уменьшается, что негативно сказывается на водном мире.
Насыщенные факты
Растворение кристалла в жидкости протекает следующим образом. Когда кристалл попадает в жидкость, в которой он может растворяться, от его поверхности отрываются отдельные молекулы. Они равномерно распределяются по всему объему растворителя. Отделение молекул от поверхности твердого тела происходит, с одной стороны, из-за их собственного колебательного движения, а с другой — из-за притяжения молекулами растворителя. Этот процесс мог бы продолжаться до полного растворения любого количества кристаллов, если бы одновременно не происходил обратный процесс — кристаллизация. Выделение молекул из раствора будет происходить тем быстрее, чем выше их концентрация. По мере растворения вещества его концентрация в растворе увеличивается, следовательно, наступает такой момент, когда скорость растворения становится равной скорости кристаллизации. В растворе устанавливается равновесие, при котором в единицу времени растворяется столько же молекул, сколько и кристаллизуется из раствора. Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным. Раствор, который содержит растворенного вещества меньше, чем насыщенный раствор (при данной температуре), называется
ненасыщенным. В некоторых случаях раствор содержит большее количество растворенного вещества, чем насыщенный раствор при данной температуре. Такой раствор называют перенасыщенным. Впрочем, перенасыщенный раствор не является стабильным; рано или поздно растворенное вещество начнет осаждаться (кристаллизоваться), это будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута точка насыщения.
В ненасыщенном растворе количество растворенного вещества может принимать различные значения. В зависимости от концентрации растворенного вещества, растворы подразделяются на две группы.
S Растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными. Например, если в одном литре воды растворить 0,01 г хлорида натрия, то такой раствор будет разбавленным. Как-то я попросил студентов привести пример разбавленного раствора. Одна из студенток ответила: «Коктейль «Маргарита» за доллар». И она была права: это пример большого количества растворителя (воды) и очень малого количества растворенного вещества (текилы).
S Растворы с высоким содержанием растворенного вещества называются концентрированными. Если, например, растворить в одном литре воды 200 г хлорида натрия, то получится концентрированный раствор.
Ну а если растворить в литре воды 25 или 50 г хлорида натрия? Каким будет раствор: разбавленным или концентрированным? В большинстве случаев эти термины не являются строгими. Возьмем, например, растворы для внутренних инъекций: в них должно быть строго определенное количество растворенного вещества, в противном случае жизнь пациента будет подвергаться опасности.
Состав раствора (в частности, содержание в нем растворенного вещества) может выражаться разными способами: с помощью безразмерных единиц (например, процентов) или через размерные единицы — концентрации.