Системи от две или повече вещества, в които частиците на едното са


с. 1 с. 2




РАЗТВОРИ

(Доц. Георги Велинов)
Дисперсни системи - класификация
Системи от две или повече вещества, в които частиците на едното са равномерно разпределени между частиците на другото, се наричат дисперсни. Веществото, което се намира в раздробено състояние се нарича диспергирано вещество или още дисперсна фаза, а веществото, в което е разпределено диспергираното вещество се нарича дисперсна среда.

Дисперсна среда е обикновено веществото, чието агрегатно състояние съвпада с агрегатното състояние на системата като цяло (при хетерогенни системи понятието агрегатно състояние е условно). При еднакво агрегатно състояние на двете вещества, за дисперсна среда се приема веществото, което е в по-голямо количество - напр. в дисперсната система въздух дисперсна среда е азотът.

Дисперсните системи биват хомогенни и хетерогенни.

Хомогенни са тези системи, в които не се различават нееднородни частици. Хетерогенни са системите, които се състоят от обособени разнородни части, разделени една от друга с гранична повърхност. Преценката за хомогенност или хетерогенност зависи от уреда, с който се извършва наблюдението. За хомогенни се приемат тези системи, които показват еднородност при наблюдение с ултрамикроскоп.

Фаза е тази хомогенна част на една хетерогенна система, която се отличава с общ състав и свойства и която е отделена от другите части с гранична повърхност - фазова граница. Трябва веднага да се отбележи, че диспергираното вещество и дисперсната среда могат да бъдат в еднакво агрегатно състояние и въпреки това системата да бъде двуфазна. Например системата бензен-вода се състои от две течни вещества, две несмесващи се течности, разделени с фазова граница. Двуфазна може да бъде система, която се състои само от едно вещесто, но в различно агрегатно състояние (например системата лед-вода), в която двете фази имат еднакъв състав, но различни свойства.

Класификацията на дисперсните системи се извършва най-често въз основа на два признака:




  1. Агрегатно състояние на диспергираното вещество и на дисперсаната среда;




  1. Големина частичките на диспергираното вещесто - така наречената степен на дисперсност.

Когато класификацията е извършена по първия признак - агрегатно състояние, то са възможни 9 типа дисперсни системи, които са представени в следната таблица.




Дисперсни с-ми

Дисперсна фаза

Дисперсна среда

Примери

Газообразни

Газ

Течност


Твърдо вещество

Газ

Газ


Газ

Въздух

Аерозоли - мъгла

Аерозоли - дим


Течни

Газ

Течност


Твърдо вещество

Течност

Течност


Течност

Пяна

Емулсии - мляко

Суспензии - варе-

но мляко


Твърди

Газ
Течност
Твърдо вещество

Твърдо вещество
Твърдо вещество
Твърдо вещество

Твърди пени -

пенопласти

Течни включения в кристали

Минерали, сплави


Когато класификацията на дисперсните системи се извършва по втория признак - степента на дисперсност, то са възможни три типа дисперсни системи:




  • грубо диперсни системи със степен на дисперсност по-голяма от 100 nm (1nm = 109 m). Те са неустойчиви системи и нямат особени свойства и значение.




  • колоидно дисперсни системи със степен на дисперсност между 1 и 100 nm, поради което се наричат още микрохетерогенни системи. Това са системи, които са относително устойчиви и притежават много особени свойства и респективно имат много голямо значение. Такива системи представляват болшинството от живите огранизми.




  • истински разтвори - това са хомогенни дисперсни системи, в които степента на дисперсност е под 1 nm. Това ще рече, че дисперсната фаза е раздробена до състояние на йони или молекули на нискомолекулни съединения, поради което тези системи или разтвори се наричат още молекулни или йонни разтвори. Истинските разтвори са устойчиви системи. При тях количеството на диспергираното вещество може да се варира в твърде широки граници, без да се наруши хомогенността на системата, т.е. без да се появи нова фаза. Тук диспергираното вещество се нарича разтворено вещество, а дисперсната среда разтворител. Най- голямо значение и разпространение от истинските разтвори имат истинските течни разтвори. Обикновено под термина истиски разтвори се разбират истинските течни разтвори. От своя страна най-голямо значение от разтворите имат водните разтвори, при които разтворител е водата.

Същност на разтварянето
В по-началния етап от развитието на химичната наука се е считало, че не съществува разлика между химичните процеси и процесите на разтварянето. Дори самата химична наука е била определяна като учение за разтворите.

Така например разтварянето на солта (NaCl) във вода се е считало за идентично с процеса на разтварянето на цинк в сярна киселина, защото и в двата случая твърдото вещество се превръща в разтвор.

За първи път Лавуазие е поставил правилно въпроса за разликата между процесите на химично превръщане и процесите на разтваряне. Според него, в цитирания по-горе случай, “молекулите” на солта просто се разделят и се разпределят между молекулите на водата. При това молекулите и на двете вещества могат да бъдат намерени в разтвора в същото количество и химическа идентичност, в каквото са били преди започването на процеса. Съвсем друго е състоянито на веществата в другия случай, при който металът цинк се превръща в цинкови йони, а водородните йони на киселината се редуцират до водород, който напуска системата.

Още от това време са се сформирали два противоположни възгледа за природата на разтворите, като ту единият, ту другият са били ведущи в отделните етапи от развитието на химичната наука.

На първо място това е физическият възглед, предложен от Вант Хоф и Арениус, според който разтварянето е процес на просто физическо разделяне на градивните частици на разтвореното вещество.

Другият възглед е химическият, поддържан от Менделеев, който издига на преден план процесите на взаимодействие между частиците на разтвореното вещество и молекулите на разтворителя, при което се образуват съединения, наречени солвати.

От своето установяване и до днес тези два противоположни възгледа съществуват, като развитието на теорията на разтворите е резултат на борбата между идеите на техните привърженици.

Една сравнително правилна позиция трябва да бъде съчетание от тези два основни възгледа, а именно:


Разтварянето е сложен физико-химичен процес. Разтворите са смеси от две или повече вещества, но те са и продукт на тяхното взаимодействие.
За да се разтвори едно вещество в даден разтворител е необходимо:

  1. Да се преодолеят силите на привличане между градивните частици(йони или молекули) на разтвореното вещество;

  2. Да се преодолеят силите на привличане между молекулите на разтворителя.

За извършването на тези два процеса е необходимо да се внесе енергия отвън, т.е. те са ендотермични и техният топлинен ефект може да се означи с (Q). Опитът обаче показва, че при разтварянето на веществата не винаги се консумира топлина, напротив даже в някои случаи се отделя топлина. Така например топлинният ефект на разтваряне (Q ) на KNO3 e Q < 0 за NaOH е Q > 0 , за NaCl Q 0 . Следователно логично е да се приеме, че при разтварянето се извършва и процес на взаимодействие между частиците на разтвореното вещество и молекулите на разтворителя. Този процес е екзотермичен и се нарича най-общо процес на солватация (ако разтворителят е вода - хидратация). Следователно при разтварянето последователно се извършват ендотермични (Q1) и екзотермични (+Q2) (солватационни) процеси, като общият топлинен ефект на разтварянето (Q) е алгебрична сума от топлинните ефекти на тези процеси: (Q) = (Q1) + (+Q2) . Така например при разтварянето на KNO3 (Q1) > (+Q2) ; при NaOH (Q1) < (+Q2) , при NaCl (Q1) (+Q2) .

Топлинният ефект (Q), който съпровожда разтварянето на 1 mol вещество в даден разтворител, се нарича топлина на разтваряне. Тя зависи от: природата на разтворителя и на разтварящото се вещество, концентрацията на получения разтвор и от температурата.

Групировките които се образуват между частичките на разтвореното вещество и молекулите на разтворителясе наричат най-общо солвати (ако разтворителят е вода - хидрати). Трябва веднага да се отбележи, че съществува съществена разлика между солватите (хидратите) и химичните съединения по отношение на техния състав. Докато химичните съединения имат строго дефиниран качествен и количествен състав, то количеството на солватираните (хидратираните) молекули на разтворителя не е строго дефинирано. Така например във водни разтвори на сярна киселина се образуват хидратите H2SO4.xH2O , където x може да заема стойности x = 1, 2 или 4 в зависимост от концентрацията или температурата на разтвора.

Водните разтвори на някои вещества (предимно соли) при изпаряване на водата образуват кристални съединения, при които точно определен брой молекули вода се включват в кристалната решетка на солта. Тези съединения имат строго дефиниран качествен и количествен състав и се наричат кристалохидрати, а включената вода - кристализационна. Като пример за такива соли могат да се посочат CaSO4.2H2O - гипс , FeSO4.7H2O - зелен камък , CuSO4.5H2O - син камък, Na2B4O7.10H2O - боракс и др.
Разтворимост на веществата. Фактори влияещи върху разтворимостта
Свойството на веществата да образуват разтвори в подходящи разтворители се нарича разтворимост. Определено количество разтворител може да разтваря само определено количество от разтварящото се вещество. Разтворимостта се определя от редица фактори, като на първо място тя зависи от природата на разтварящото се вещество и разтворителя.

Така например ако веществото А се разтваря в разтворителя S от най-общи съображения е необходимо връзките между чстичките на разтвореното вещество (условно означени А-А) , връзките между молекулите на разтворителя (S-S) и връзките в солвата (А-S) да са от един и същи порядък. Това правило е прието да се изказва така: подобни се разтварят в подобни. Действително вещества с йонна или полярна връзка в молекулата си, каквито са солите, минералните киселини, алкалните и алкалоземни хидроксиди, се разтварят много лесно в полярни разтворители, каквато е водата и много трудно или практически са неразтворими в органични неполярни разтворители като бензен (C6H6), хлороформ (CHCl3), тетрахлорометан (CCl4) и др. Обратно - вещества с неполярни молекули, каквито са повечето органични съединения, се разтварят много лесно в неполярни органични разтворители и практически не се разтварят във вода.


Разтвор, който при дадени условия не може да разтваря допълнителни количества от разтварящото се вещесто се нарича наситен. Между наситения разтвор и разтварящото се вещество се установява динамично равновесие. Например при разтваряне на твърдо вещество с повишаване на концентрацията му в разтвора расте и вероятността за сблъскване на неговите частици с повърхността на неразтворената част от веществото. В резултат от това те могат отново да се включат към кристала. Този процес, противоположен на разтварянето, се нарича кристализация. Следователно, ако разтворът се намира в допир с неразтвореното вещество, то протичат и двата процеса (Q е топлинният ефект на разтварянето):

разтваряне

разтварящо се вещество + разтворител разтвор + Q

кристализация

Когато скоростите на двата процеса се изравнят, количеството на разтвореното вещество за съответната температура остава постоянно и разтворът се нарича наситен.

Разтворимостта на едно вещество в даден разтворител се измерва с концентрацията на неговия наситен разтвор за дадена температура. Представя се най-често като грамове разтворено вещество в 100 грама разтворител или молове разтворено вещество в 1 литър разтворител за 200С .

Разтвор, чиято концентрация е по-малка от концентрацията на наситения разтвор при дадени условия, се нарича ненаситен.

При специални условия се получават разтвори, които имат концентрация по-висока от концентрацията на наситения разтвор при дадена температура. Такива разтвори се наричат преситени. Те са неустойчиви системи, в които след известно време или при разклащане или внасяне на кристален зародиш, започва бърз процес на кристализация, докато се достигне концентрацията на наситения разтвор.

Свойството на твърдите вещества да образуват наситени разтвори се използва в практиката за тяхното пречистване - процесът се нарича прекристализация. Използва се най-често при твърди вещества, при които топлинният ефект на разтваряне е отрицателен. Постъпва се по следния начин: получава се наситен разтвор при по-висока температура, след което разтворът се охлажда на спокойствие в специални съдове с голям диаметър, наречени прекристализатори. При необходимост получените кристали се подлагат на повторна и т.н. прекристализация. Веществото се получава във все по-чист вид, но положителният ефект на прекристализацията е съпроводен от отрицателния ефект на загуби на разтвореното вещество, което частично остава в наситените разтвори.

В зависимост от разтворимостта си вещесвата се разделят на:


  1. Малко разтворими - с разтворимост < от 0.01 g.

  2. Ограничено разтворими - с разтворимост около 1 g.

  3. Много разтворими - с разтворимост > 10 g.

като тези граници са условни и не са много стриктни.


Процесът на разтваряне зависи също така и от редица външни фактори, от които най-голямо значение има температурата. Изменението на разтворимостта на дадено вещество с промяна на температурата зависи от топлинния ефект на разтваряне и е в съгласие с принципа за подвижното равновесие на Льо Шателие-Браун. Така например за разгледаните по-горе примери с различни топлинни ефекти на разтваряне (Q ) - KNO3 с Q < 0 , NaOH с Q > 0 и NaCl с Q 0 , графичните зависимости на разтворимостта, като функция от температурата (т.нар. криви на разтворимост) имат съвсем различен ход:

C

KNO3




Т0

II


NaCl

NaOH

I Na2SO4.10H2O
t0С

Например процесът на разтваряне на KNO3 във вода е ендотермичен - т.е. разтворът изстива. Следователно ако се повиши температурата ще се улесни разтварянето на нови количства от солта. Съвсем обратно е полжението на разтварянето на NaOH, а разтварянето на NaCl практически не се влияе от промяната на температурата.

Кривата на разтворимост на кристалохидрата Na2SO4.10H2O представлява малко по-особен случай. В нея се наблюдават две области: I - отговаря на разтворимостта на кристалохидрата и II - отговаря на разтворимостта на безводната сол. Пресечната точка между двете области Т0 - отговаря на температурата, при която кристалохидратът губи кристализационната си вода.
Разтворимостта на течните вещества в течни разтворители е различна. Едни течности имат неограничена разтворимост в съответни разтворители - например етилов алкохол, метанол, глицерол във вода. Други течност имат ограничена разтворимост. Например ако се смесят етер и вода се получават два слоя: горен слой (етерен), който представлява наситен разтвор на вода в етер и долен слой (воден), който представлява наситен разтвор на етер във вода. Ако органичният разтворител е по-тежък от водата, то пак се получават два слоя, но горният слой е воден.
Разтворимостта на газовете в течни разтворители се изменя в широки граници, като се подчинява на закона на Хенри. Той гласи: концентрацията на разтвореният газ в разтвора е пропорционална на налягането му над разтвора за дадена температура.
Или : С(г) = к.р(г)
Коефициентът к зависи от природата на разтварящия се газ и на разтворителя, като стойността му намалява с повишаване на температурата - т.е. температурата е неблагоприятен фактор за разтворимостта на газовете.
Законът на Хенри се спазва при изричното условие - да няма химическо взимодействие между разтварящия се газ и разтворителя.

Така например хлороводородът се разтваря значително във вода (до 37%) и незначително в тетрахлорометан, като тази разтворимост се подчинява на закона на Хенри само във втория разтворител, тъй като с водата хлороводородът реагира като я протонира необратимо по уравнението:


HCl + H2O  H3O+ + Cl
Разтворимостта на газовете един в друг е спонтанен процес, протичащ без забележим топлинен ефект. Това е така, защото газовите молекули се намират в непрекъснато хаотично движение и заемат всеки предоставен им обем, а взаимодействието между тях е сравнително слабо.
Разтворимостта на газовете в твърдите тела е много ограничена, но има и изключения. Например значителна е разтворимостта на водорода в платина или паладий, на кислорода в среброто и др. Като правило с повишаване на температурата разтворимостта на газа намалява, а с нарастване на налягането тя се увеличава.


с. 1 с. 2

скачать файл