Учебное пособие для студентов 1 курса направления 020100-Химия

Химическая теория растворов.
Д.И.Менделеев в 1887 году предложил так называемую, сольватную теорию, в которой считалось, что растворитель и растворенное вещество образуют непрочные соединения неопределенного состава – сольваты (для водных растворов – гидраты, например, гидраты серной кислоты H₂SO₄·H₂O, H₂SO₄·2H₂O, H₃O⁺, [Al(H₂O)₆]³⁺ и т.д.). Часто, при охлаждении или упаривании, их можно выделить в виде твердых кристаллосольватов (кристаллогидратов). Например, медный купорос CuSO₄ · 5H₂O.
Основной недостаток теории – не позволяет количественно описать физико-химические свойства растворов.
Представления, лежащие в основе современной физико-химической теории растворов, были развиты русскими учеными И.А. Каблуковым и В.А. Кистяковским, которые объединили физическую и химическую теории, и также объяснили причины возникновения электролитической диссоциации.

2. Растворимость веществ

Растворение – самопроизвольный (так как идет с увеличением энтропии в системе) обратимый процесс. Однако растворение возможно только до определенного предела, затем устанавливается состояние динамического равновесия, когда скорость растворения вещества равна скорости его кристаллизации.

Рассмотрим, как растворяется добавленный в чай сахар. Попадая в воду, молекулы сахара, находящиеся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды донорно-акцепторные связи. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя (рис. 1).



Рис. 1. Растворение сахара в воде

Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки). Между молекулами сахара и воды возникают межмолекулярные связи, благодаря которым молекулы сахара отрываются от поверхности кристалла. Молекулы воды, не связанные с молекулами сахара, на рисунке не показаны.

Молекулы сахара, перешедшие из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря тепловому движению. Это явление называется диффузией. Диффузия происходит медленно, поэтому около поверхности кристаллов находится избыток уже оторванных от кристалла, но еще не диффундировавших в раствор молекул сахара. Они мешают новым молекулам воды подойти к поверхности кристалла, чтобы связаться с его молекулами водородными связями. Если раствор перемешивать, то диффузия происходит более интенсивно и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно и раствор становится одинаково сладким по всему объему.
Количество молекул, способных перейти в раствор, зачастую ограничено. Молекулы вещества не только покидают кристалл, но и вновь присоединяются к кристаллу из раствора. Пока кристаллов относительно немного, в раствор молекул переходит больше, чем возвращается из него – идет процесс растворения. Но если растворитель находится в контакте с большим количеством кристаллов, то число уходящих и возвращающихся молекул становится одинаковым и для внешнего наблюдателя растворение прекращается – наступает состояние равновесия.
Растворы бывают насыщенными, ненасыщенными и пересыщенными.