Основы теории растворов. Приготовление растворов заданных концентраций. Дисперсные системы

Многокомпонентные корпускулярно-дисперсные системы, к которым принадлежат как дисперсные системы, так и истинные растворы, могут быть классифицированы по степени раздробленности вещества дисперсной фазы.

Таблица 2.1.

Классификация корпускулярно- дисперсных систем по степени дисперсности

Системы	Раздробленность вещества	Поперечник частиц, см	Число атомов в одной частице
Грубодисперсные	Макроскопическая	1—10-2	≥1018
	Микроскопическая	10-2—10-5	≥109
Предельно-высокодисперсные	Коллоидная	10-5—10-7	109—103
Молекулярные и ионные	Молекулярная и ионная	10-7—10-8	≤103

Корпускулярно-дисперсные системы, где имеет место молекулярная или ионная раздробленность дисперсной фазы носят название растворов (истинных растворов). В таких системах нет поверхностей раздела фаз, поэтому они являются гомогенными.

Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или более веществ (компонентов).

Способность вещества растворяться в том или ином растворителе называется растворимостью. Вещества могут быть неограниченно и ограниченно растворимы. Неограниченной растворимостью в воде, например, обладают серная кислота. Вещества с ограниченной растворимостью могут образовывать ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные растворы.

Ненасыщенные растворы способны при контакте с дополнительным количеством растворенного вещества растворять его и т.о. увеличивать его концентрацию в растворе. Насыщенные растворы при добавлении дополнительного количества растворенного вещества не изменяют его концентрации в растворе.

Количественно растворимость вещества часто выражается массой вещества, образующего насыщенный раствор в 100 г растворителя. Вещества с растворимостью более 10 г считаются хорошо растворимыми, от 1 до 10 г растворимыми, меньше 1г малорастворимыми и меньше 0,01 г практически нерастворимыми. Данные о растворимости различных солей собирают в т.н. таблицы растворимости.

Растворимость большинства твердых веществ увеличивается при повышении температуры. Поэтому при охлаждении горячих растворов избыток растворенного вещества обычно выделяется. Однако если проводить охлаждение медленно, защитив раствор от возможности попадания в него частиц растворенного вещества извне, то выделения избытка вещества из раствора может и не произойти. В этом случае получится т.н. пересыщенный раствор, содержащий значительно больше растворенного вещества, чем его требуется для насыщения при данной температуре. В спокойном состоянии пересыщенные растворы могут длительное время оставаться без изменения. Но при попадании в такой раствор избыточного кристаллика растворенного вещества или сотрясении начинается быстрая кристаллизация. Т.о. пересыщенные растворы являются неустойчивыми системами.

Очень часто состав раствора характеризуется с помощью массовой доли или молярной концентрации растворенного вещества:

Массовая доля растворенного вещества - это безразмерная (или выраженная в процентах) физическая величина, равная отношению массы растворенного вещества к массе всего раствора:

,

где: w(B) и w(B)%, - соответственно массовая доля компонента B, выраженная в долях единицы (безразмерная величина) или процентах,

m(B) - масса растворенного вещества B, кг, г,

m(B,..) - масса раствора, кг, г и др.

Молярная концентрация растворенного вещества – величина, равная отношению количества растворенного вещества к объёму раствора.

,

где: c(B) – молярная концентрация вещества B, моль/л, моль/м³;

n(B) – количество растворенного вещества B, моль;

v(B) – объём раствора, л, м³.

Если разделить мембраной, через которую способны проходить только молекулы растворителя, два раствора, в которых различны концентрации растворенного вещества, то возникнет процесс перехода через мембрану растворителя из того раствора, где концентрация растворенного вещества ниже в тот раствор, где концентрация растворенного вещества выше.

Переход растворителя через полупроницаемую мембрану из менее концентрированного раствора в более концентрированный называется осмосом.

Дисперсные системы (грубодисперсные и предельно-высокодисперсные корпускулярно- дисперсные системы) являются гетерогенными системами, состоящими из нескольких фаз, в простейшем случае из двух. Одна из фаз находится в сильно измельченном (диспергированном) состоянии в виде мельчайших твердых частиц, капелек жидкости, пузырьков газа и называется дисперсной фазой.

Вторая составная часть дисперсной системы – среда, в которой распределены частицы диспергированного вещества, называется дисперсионной средой.

Сочетания агрегатных состояний фаз дисперсной системы является одним из оснований их классификации. Агрегатное состояние фаз обычно обозначают символами: Т (твердое), Ж (жидкое), Г (газообразное). Большинство типов дисперсных систем имеют и специальные названия: суспензии, пены, эмульсии, аэрозоли.

Таблица 2.2.

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Дисперсионная среда	Дисперсная фаза	Условное обозначение системы	Название системы и примеры
Твердая	Твердая	Т/Т	Твердые гетерогенные системы: минералы, сплавы, ситаллы, бетон, композиционные материалы
Жидкая	Ж/Т	Капиллярные системы: жидкость в пористых телах, в адсорбентах, почвы, грунты
Газообразная	Г/Т	Пористые тела: адсорбенты и катализаторы в газах
Жидкая	Твердая	Т/Ж	Суспензии и золи: промышленные суспензии, пульпы, взвеси, пасты, илы
Жидкая	Ж/Ж	Эмульсии: природная нефть, кремы, молоко
Газообразная	Г/Ж	Газовые эмульсии и пены: флотационные, противопожарные, мыльные пены
Газообразная	Твердая	Т/Г	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки
Жидкая	Ж/Г	Аэрозоли: туманы в том числе промышленные, облака
Газообразная	Г/Г	Дисперсная система не образуется

Дисперсные системы могут быть получены двумя путями: конденсацией ионов, молекул и дроблением более крупных частиц до нужной степени дисперсности.

Химическая конденсация. Если при химической реакции образуется трудно растворимое соединение, то оно при определенных условиях может быть получено в виде коллоидного раствора. Для этого нужно, во-первых, вести реакцию в разбавленном растворе, чтобы скорость роста кристаллических частиц была невелика, тогда частицы получатся мелкие (10^-7 – 10^{-9 м) и системе будет обеспечена седиментационная устойчивость; во-вторых, одно из реагирующих веществ взять в избытке, чтобы на поверхности кристалла мог образоваться ДЭС – основной фактор агрегативной устойчивости.}

Физико-химическое дробление осадков (пептизация). Пептизацией называют дробление рыхлых осадков, в которых имеются отдельные частицы дисперсной фазы, разделенные прослойками дисперсионной среды. Их непосредственному соприкосновению мешают либо двойные электрические слои, либо сольватные оболочки на поверхности частиц. Они обеспечивают отталкивание частиц на близких расстояниях, тогда как на более далеких преобладают силы межмолекулярного притяжения, не дающие частицам разойтись за счет теплового движения.

Перевести такой осадок в коллоидный раствор (пептизировать его) можно тремя способами:

1) промыванием осадка;

2) добавлением в систему веществ, приводящих к дополнительному образованию и, следовательно, увеличению толщины двойных электрических слоев;

3) добавлением веществ, способствующих дополнительному утолщению адсорбционно-сольватных слоев на поверхности частиц.

Наиболее характерным оптическим свойством дисперсных систем в диапазоне видимой части электромагнитного излучения (световой диапазон) является рассеяние света на коллоидных частицах. Оно возникает в том случае, если размеры частиц дисперсной фазы намного превышают длину волны светового излучения.

Рассеяние света наблюдается при прохождении узкого пучка света через кювету с дисперсной системой в виде светящегося конуса (конуса Тиндаля).

Целью настоящей работы является овладение навыками приготовления истинных растворов и дисперсных систем и знакомство с их характерными свойствами.