Природа жидких растворов

Химическая и физическая теории растворов. Химические явления в процессе растворения были отмечены Д.М. Менделеевым: при растворении веществ выделялась или поглощалась теплота (DН¹ 0), были известны кристаллогидраты (вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды), которые выделялись из растворов. Например: CuSO₄·5H₂O, Na₂SO₄·H₂O, FeSO₄·7H₂O, Na₂CO₃·10H₂O.

Суть химической теории Менделеева (1887г.) состоит в том, что при растворении многих веществ в воде их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения (комплексы), называемые сольватами (от латинского solvere – растворять); этот процесс химического взаимодействия молекул (частиц) растворителя с частицами растворенного вещества называют сольватацией (в общем случае). В частном случае, если растворитель – вода, процесс называется гидратацией, а продукты взаимодействия – гидратами. Гидраты, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов. Но иногда гидраты настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов (кристаллогидраты).

Химическая теория растворов принципиально отличается от физической теории, которая рассматривала растворитель как инертную среду и приравнивала растворы к простым механическим смесям. Физическая теория растворов развивалась главным образом трудами Вант-Гоффа, Рауля, Аррениуса.

Двойственная природа жидких растворов. Растворение – физико-химический процесс. Современная теория растворов является синтезом химической (Менделеев) и физической (Вант-Гофф, Рауль, Аррениус) теории. В создании современной физико-химической теории растворов большую роль сыграли работы русских ученых И.А. Каблукова (изучал неводные растворы), Д.П. Коновалова, Н.А. Измайлова, К.П. Мищенко, О.Я. Самойлова и др.

Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: или выделением, или поглощением теплоты – в зависимости от природы вещества. При растворении разрушается связь между молекулами (атомами, ионами) в растворяемом веществе и растворителе, что связано с затратой энергии(DH₁> 0). Одновременно протекает процесс возникновения новых связей между частицами вещества и растворителя (сольватация), он сопровождается выделением энергии (DH₂< 0). Общий же энергетический эффект растворения DH_р=DH₁+DH₂ может быть как экзотермическим, так и эндотермическим в зависимости от соотношения количеств выделяемой и поглощаемой энергии. Например, растворение H₂SO₄ в Н­₂О экзотермический процесс (DH< 0). При растворении в воде твердых веществ теплота может и выделяться – растворение КОН, Са(ОН)₂ – и поглощаться – растворение NH₄NO₃. Поэтому нагревание по-разному сказывается на их растворимости. Если растворение вещества сопровождается выделением теплоты, то при нагревании его растворимость падает (КОН). Если же вещества растворяются с поглощением теплоты, то нагревание вызывает увеличение растворимости (NH₄NO₃).

Кроме энергетического эффекта растворение сопровождается также изменением объема. Например, при растворении спирта в воде объем раствора уменьшается примерно на 3, 5% по сравнению с общим объемом взятых веществ за счет образования сольватов.

При растворении иногда наблюдается и изменение окраски. Например, белый сульфат меди CuSO₄ образует водный раствор синего цвета за счет возникновения гидратированных аквакомплексов [Сu(Н₂О)₆]²⁺

Все эти факты (энергетический эффект растворения DH_р=DH₁+DH₂, изменение объема и окраски при растворении) говорят о том, что жидкие растворы следует рассматривать как химические соединения. Однако отсутствие у растворов постоянного состава, т.е. определенных соотношений количества растворенного вещества и количества растворителя, сближает их с механическими смесями. Таким образом, жидкие растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями постоянного состава и механическими смесями.

Образование растворов может рассматриваться с двух сторон: физической и химической, и в растворах виднее, чем где-либо, насколько эти стороны естествознания сближены между собой.