Растворы как гомогенные системы

Растворы как гомогенные системы

19.1. Фазы

При описании многих физических и химических систем используется понятие фаза.

Фаза – часть системы, однородная по составу и строению и отделенная от других частей системы (других фаз) границей раздела (межфазной границей).

Фазой системы может быть газ или смесь газов, жидкость (или жидкий раствор), твердое вещество (или твердый раствор). В любом случае, чтобы представлять собой отдельную фазу, такая составная часть системы должна быть однородной. Каждое из твердых веществ и каждая из несмешивающихся жидкостей представляют собой отдельную фазу.

Система, образованная водой и таящим льдом, состоит из двух фаз, так как, хоть по составу вода и лед одинаковы, у них разное строение, кроме того, между ними есть граница раздела. Воздух, соляная кислота, подкисленный серной кислотой водный раствор перманганата калия – системы, состоящие из одной фазы; здесь нет границ раздела, и в любой части такой системы состав и строение одинаковы.

По числу фаз системы делят на гомогенные и гетерогенные.

Фаза может быть сплошной или дисперсной (раздробленной на множество отдельных частиц). Сплошной фазой принято считать фазу, из любой точки которой можно попасть в любую другую точку, не пересекая межфазную границу.
Гомогенная система может быть образована лишь сплошной фазой.
Гетерогенная система может быть образована, как сплошными, так и дисперсными фазами.

Вода с помещенной в нее цинковой пластиной представляет собой гетерогенную систему, состоящую из двух сплошных фаз; если же в ту же воду насыпать цинковую пыль, или просто поместить отдельные гранулы цинка, то в такой системе одна из фаз будет дисперсной.

19.2. Дисперсные системы

Гетерогенные системы, содержащие дисперсные фазы называют дисперсными системами. При этом сплошная фаза дисперсной системы называется дисперсионной средой.

Туманы и дымы носят общее название – аэрозоли. Именно они (в данном случае туманы) образуются при выпускании в воздух содержимого аэрозольных баллончиков. Дымы образуются не только при горении топлива, но и в результате многих других химических реакций, например, при взаимодействии хлороводорода с аммиаком.

К эмульсиям относится обычное молоко и множество технических эмульсий, например, применяемых для смазки и охлаждения режущего инструмента (эмульсии машинного масла в воде).

Примером грубодисперсной суспензии служит строительный » раствор» (суспензия песка и цемента в воде), а мелкодисперсной – масляная краска (суспензия пигмента в олифе). При затвердевании строительного раствора и » высыхании» масляной краски они превращаются в дисперсные системы с твердой дисперсионной средой. К этой же группе дисперсных систем относятся некоторые сплавы и многие горные породы.

Примеры жидких пен – мыльная, пивная, квасная и другие пены. Твердыми пенами являются пенопласт, пенополиэтилен, пенополиуретан, некоторые строительные материалы-утеплители. В отличие от них, обычная банная губка является дисперсной системой с двумя взаимопроникающими дисперсионными средами. В виде дисперсных систем с жидкой дисперсной фазой и твердой дисперсионной средой выпускаются некоторые лекарственные средства.

Пользуясь терминологией, приведенной в этом параграфе, следует помнить о том, что она не всегда правильно используется, особенно в технике. Так строительный » раствор» – отнюдь не раствор, а грубодисперсная суспензия. Фотографическая » эмульсия» – отнюдь не эмульсия, а дисперсная система с твердой дисперсной фазой (в черно-белой фотографии – бромидом серебра) и твердой дисперсионной средой, основным компонентом которой является животный белок коллаген. Водоэмульсионная краска (правильное название – водно-дисперсионная) не является эмульсией, а представляет собой дисперсию в воде твердых частичек пигмента и связующего.

19.3. Коллоидные растворы

Истинные растворы – гомогенные системы. Частицы, из которых они состоят, перемешаны на атомно-молекулярном уровне. Кроме таких растворов существуют внешне однородные системы, содержащие очень мелкие частицы другой фазы, тем не менее не являющиеся отдельными молекулами или ионами. Такие гетерогенные системы носят название коллоидных растворов (более новое название – лиозоли).

Частицы в коллоидных растворах невозможно отделить фильтрованием. Если они и отстаиваются, то очень медленно (иногда для этого требуется несколько лет). Обычные центрифуги также, как правило, не позволяют разделить коллоидный раствор. Иногда это удается с использованием так называемых » ультрацентрифуг» – центрифуг с очень большой скоростью вращения. Такая устойчивость коллоидных растворов связана не только с незначительными размерами твердых частиц (примерно от 10 до 1000 Е), но и с довольно сложными электрофизическими явлениями на их поверхности, приводящими к взаимному отталкиванию коллоидных частиц.

Фаза, гомогенная система, гетерогенная система, сплошная фаза, дисперсная фаза, дисперсная система, дисперсионная среда, аэрозоль, эмульсия, суспензия, жидкая пена, твердая пена, коллоидный раствор (лиозоль).

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

Источник

Урок №32. Вода — растворитель. Растворы.

Растворы – это однородные гомогенные системы, состоящие из частиц растворенного вещества, растворителя и продуктов их взаимодействия. Растворенное вещество равномерно распределено в растворителе. Раствор может состоять из двух и более компонентов.

Растворы по агрегатному состоянию бывают жидкие (раствор соли, кровь), твердые (сплавы металлов) и газообразные (воздух).

Растворитель – это то вещество, которое не изменяет агрегатное состояние при растворении. В случае смешения веществ с одинаковым агрегатным состоянием (жидкость-жидкость, газ-газ, твердое-твердое) растворителем считается тот компонент, содержание которого больше.

Образование раствора зависит от характера взаимодействия частиц растворителя и растворенного вещества, и их природы.

В школьном курсе рассматриваются преимущественно растворы электролитов (растворы с электропроводимостью). В курсе ВУЗов рассматриваются также истинные и коллоидные растворы, золи и другие системы.

Раствор, содержащий растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, называется пересыщенным. Пересыщенные растворы представляют собой неустойчивые, неравновесные системы, в которых наблюдается самопроизвольный переход в равновесное состояние. При этом выделяется избыток растворенного вещества, и раствор становится насыщенным.

Насыщенный раствор – это раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется.

Суспензией называют взвесь, в которой мелкие частицы твёрдого вещества равномерно распределены между молекулами воды.

Эмульсией называют взвесь, в которой мелкие капельки какой-либо жидкости распределены между молекулами другой жидкости.

По способности растворяться вещества условно делят на:

малорастворимые (от 0,001 до 1 грамма растворенного вещества на 100 грамм растворителя);

растворимые (больше 1 г растворенного вещества на 100 г растворителя);

нерастворимые (менее 0,001 г растворенного вещества на 100 г растворителя).

При попадании в воду вещество может:

1. раствориться в воде, то есть перемешаться с ней на атомно-молекулярном уровне;

2. химически прореагировать с водой;

3. не раствориться в воде и химически не прореагировать.

Одни вещества хорошо растворяются в воде, другие мало, а третьи – не растворяются совсем.

Физический – разрушение структуры растворяемого вещества

Химический – образование гидратов (сольватов, если растворитель не вода), вследствие взаимодействия молекул растворителя с частицами растворённого вещества).

Если на разрушение кристаллической решётки затрачивается больше энергии, чем выделяется при образовании гидратов, то растворение сопровождается охлаждением раствора (NH 4 NO 3 ; KNO 3 ), а если меньше – нагреванием (приготовление растворов щелочей, кислот).

Растворение газов и жидкостей не сопровождается разрушением кристаллической решётки, поэтому такие процессы растворения всегда экзотермические.

Тепловые эффекты растворения подавляющего большинства веществ незначительны, потому не заметны.

Растворимость увеличивается с ростом температуры (бывают исключения). Вы прекрасно знаете, что удобнее и быстрее растворять сахар в горячей, а не в холодной воде.

Попробуйте сами определить растворимость веществ (см. Таблица растворимости солей, кислот и оснований в воде).

Растворимость веществ

По растворимости в воде все вещества делятся на три группы:

1) хорошо растворимые, 2) малорастворимые и 3) практически нерастворимые.

Многие вещества в воде растворяются весьма хорошо. Примером таких веществ могут служить сахар, медный купорос, гидроксид натрия (твердые вещества), спирт, ацетон (жидкие вещества), хлороводород, аммиак (газообразные вещества).

Из приведенных примеров следует, что растворимость прежде всего зависит от природы веществ. Кроме того, она зависит также от температуры и давления. Сам процесс растворения обусловлен взаимодействием частиц растворимого вещества и растворителя; это самопроизвольный процесс.

По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор и удаляющихся из раствора, различают растворы насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные. С другой стороны, по относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяют на разбавленные и концентрированные.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т. е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным, а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества, — ненасыщенным.

Источник

Растворы

Авторы: Гаммель И. В., Кононова С. В., Раскаткина Л. В.

I. РАСТВОРЫ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ.

Раствор – это твердая, жидкая или газообразная однородная система, состоящая из двух или более компонентов.
Раствор – это жидкая лекарственная форма, полученная путем растворения одного или нескольких лекарственных веществ и предназначенная для внутреннего, наружного или парентерального применения.

1.1. Классификация растворов.

1.1.1. По составу:
а) Простые растворы
б) Сложные растворы

4.1.2. По способу применения:
а) Для внутреннего применения (микстуры, капли)
б) Для наружного применения (капли, примочки, полоскания)

4.1.3. По физико-химической природе:
а) Гомогенные системы
— Истинные растворы
— Растворы высокомолекулярных соединений

б) Гетерогенные системы
— Коллоидные растворы
— Суспензии
— Эмульсии

1.1.4. В зависимости от применяемых растворителей:
а) Водные растворы
б) Спиртовые растворы
в) Масляные растворы
г) Глицериновые растворы
д) Растворы на синтетических растворителях

Преимущества растворов:
1) Высокая биодоступность
2) Широкий спектр назначения
3) Простота приготовления
4) Удобство применения
5) Возможность корригировать вкус, цвет, запах лекарственных веществ.

Недостатки растворов:
1) Неудобство транспортировки (некомпактность упаковки)
2) Возможность микробного загрязнения
3) Вероятность гидролиза лекарственных веществ

1.2. Растворители

Растворители для жидких лекарственных форм – это индивидуальные химические соединения или их смеси, способные растворять различные вещества и образовывать с ними однородные смеси – растворы, состоящие из одного или нескольких компонентов.

Классификация растворителей:
1) Неорганические (вода очищенная)
2) Органические
— Летучие
1. Этиловый спирт
2. Эфир медицинский
3. Хлороформ
— Нелетучие
1. Глицерин
2. Масла растительные
3. Масло вазелиновое
4. Диметилсульфоксид (димексид)

Требования к растворителям:
1. Достаточная растворяющая способность
2. Химическая и фармакологическая индифферентность
3. Безопасность в пожарном отношении
4. Рациональность с точки зрения биофармации
5. Должны быть экономически выгодны и доступны.

1.3. Истинные растворы.

Истинные растворы – это однородные системы, молекулярной или ионной степени дисперсности, то есть лекарственные вещества в ней диспергированы до ионно-молекулярного состояния.

В молекулярно-дисперсных системах размер частиц порядка 0,1 нм. К ним относят: растворы неэлектролитов (сахар, спирт). Растворенное вещество распадается на отдельные кинетические самостоятельные молекулы.

В ионно-дисперсных системах размер частиц порядка 0,1 нм. К ним относят растворы электролитов (натрия хлорид, магния сульфат). Растворенное вещество находится в виде отдельных гидратированных ионов и молекул в некоторых равновесных количествах. Истинные растворы являются однофазными системами, они гомогенны даже при рассматривании в электронный микроскоп и их компоненты не могут быть разделены фильтрованием или каким-либо другим способом.

Лекарственные вещества обладают разной способностью к растворению в воде и других растворителях. Растворимость данного лекарственного вещества в воде (и в другом растворителе) зависит от температуры. Для подавляющего большинства твердых веществ растворимость увеличивается с повышением температуры. Некоторые лекарственные вещества растворяются медленно, с целью ускорения растворения прибегают к нагреванию, предварительному измельчению лекарственного вещества и перемешиванию смеси.

1.4. Концентрация.

Концентрация – это количество вещества, растворенного в определенном количестве растворителя.
В зависимости от метода изготовления раствора содержание лекарственных веществ в жидких лекарственных формах выражают различными способами в соответствии с приказом МЗ РФ № 308 от 21.10.1997.
1) Массо-объемная концентрация – это количество лекарственного вещества (в граммах) в общем объеме лекарственной формы (в мл),
2) Концентрация по массе – это количество лекарственного вещества (в граммах) в общей массе лекарственной формы (в граммах),
3) Объемная концентрация – это количество жидкого лекарственного вещества (в мл) в общем объеме лекарственной формы (в мл).

Способы обозначения концентрации.

В прописях рецептов концентрация может быть обозначена:
1) В процентах (%).
2) Раздельным перечислением лекарственного вещества и дисперсионной среды (растворителя).
3) С указанием растворителя до заданного объема или массы (ad).
4) С указанием соотношения массы или объема растворяемого лекарственного вещества и объема или массы раствора.

1.5. Растворимость.

Растворимостью называют свойство вещества растворяться в воде или других растворителях. В фармацевтической практике растворимость обозначается в виде отношения количества растворенного вещества к количеству насыщенного раствора, которое нужно из него приготовить. В фармацевтической практике используются таблицы растворимости в виде отношения одной массовой части вещества к необходимому количеству растворителя. Сведения о растворимости лекарственных веществ находятся в частных статьях ГФ.

Насыщенный раствор – это раствор, в котором скорость растворения лекарственного вещества и скорость оседания частиц равны.

Факторы, влияющие на растворимость:
1. Природа лекарственного вещества и растворителя
2. Сила связи между молекулами или ионами растворяемого вещества
3. Сила диффузии
4. Сила взаимодействия между веществом и растворителем
5. Температура
6. Степень дисперсности.

Чтобы читать дальше, купите книгу.
Стоимость:

Источник

Лекция по теме: Растворы

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Лекция по теме: «Растворы»

Понятие о дисперсных системах.

Дисперсными системами называются системы, в которых одно вещество, находясь в мелкораздробленном состоянии (дисперсная фаза), равномерно распределено в другом (дисперсная среда).

В зависимости от размеров частиц дисперсной фазы различают следующие дисперсные системы:

Грубодисперсные системы, размер частиц велик (эмульсии, суспензии). Примером может служить раствор глины в воде.

По агрегатному состоянию фаз Вильгельм Фридрих Оствальд предложил ставшую весьма распространенной классификацию:

Коллоидные растворы (т/ж)

Глина, зубная паста, губная помада.

Раствор яичного белка, плазма крови, спиртовая вытяжка хлорофилла, кремниевая кислота.

Растворы солей, щелочей, сахара.

Твердые растворы (т/т)

Сплавы, минералы, цветные стекла.

Туман, облака, моросящий дождь, струя из аэрозольного баллончика.

Истинные растворы (ж/ж)

Молоко, масло, майонез, крем, мази, эмульсионные краски.

Нисшие спирты +вода, ацетон + вода.

Твердая эмульсия (ж/т)

Дисперсной системы не образуется

Пена газированной воды, мыльная пена, взбитые сливки, взбитый крем, пастила.

Пенопласт, пенобетон, пеностекло, пемза, лава.

Растворы — гомогенные (однородные) системы переменного состава, которые содержат два или несколько компонентов.

По агрегатному состоянию растворы подразделяются:

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ (газообразных, жидких, твердых):

Жидкие растворы могут быть водные и неводные. Водные растворы — это растворы, в которых растворителем является вода. Неводные растворы — это растворы, в которых растворителями являются другие жидкости (бензол, спирт, эфир и т. д.).

На практике чаще применяются водные растворы.

Растворение веществ (образование растворов).

Растворение — сложный физико-химический процесс, который включает несколько стадий:

1. Разрушение кристаллической решетки растворенного вещества.

Рассмотрим растворение хлорида калия в воде.

Причиной этого являются собственные колебательные движения частиц и притяжение со стороны молекул растворителя.

2. Постепенный переход частиц, образующих кристалл, в раствор.

3. Распределение частиц, перешедших в раствор, по всему объему растворителя.

Растворы, компонентами которых являются ионы, называются ионными (растворы электролитов, так как они проводят электрический ток). Растворы, компонентами которых являются электро-нейтральные частицы, называются молекулярными (растворы неэлектролитов).

Долгое время считалось, что растворитель — это среда, химически инертная по отношению к растворенному веществу. То есть между частицами растворителя и частицами растворенного вещества отсутствует межмолекулярное взаимодействие, как и в обычных механических смесях.

Впоследствии оказалось, что физическая теория применима лишь к небольшой группе так называемых идеальных растворов. Примерами идеальных растворов являются многие газовые растворы (газовые смеси), образованные из не реагирующих между собой газов. Как и отдельные газы, такие газовые растворы подчиняются газовым законам. Физические свойства таких смесей (плотность, давление и др.) вычисляются как аддитивные (от лат. – сложение), т. е. из свойств компонентов, составляющих смесь. Например, общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений14 ее компонентов (закон Дальтона, 1800 г.).

1. Химическое (донорно-акцепторное взаимодействие) взаимодействие, между растворителем и растворенным веществом. Например, хлор, растворяясь, взаимодействует с водой с образованием хлорной воды:

2. Ион-дипольное взаимодействие (при растворении веществ с ионной кристаллической решеткой). Например, в случае растворения хлорида натрия образуются ионы натрия и хлора, вокруг которых за счет сил электростатического притяжения удерживаются молекулы воды.

3. Диполь-дипольное взаимодействие (при растворении веществ с молекулярной кристаллической решеткой).

Доказательством физико-химического характера процесса растворения являются тепловые эффекты при растворении, т. е. выделение или поглощение теплоты.

Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эффектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический — с выделением.

Если для разрушения структуры вещества необходимо больше теплоты, чем ее образуется при гидратации, то растворение — эндотермический процесс. Это происходит например, при растворении в воде NaNO ₃ ; КС l ; K ₂ SO ₄ ; KNO ₂ ; NH ₄ Cl и др.

Итак, разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворителя — это физический процесс. Одновременно происходит взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества, т. е. химический процесс. В результате этого взаимодействия образуются сольваты.

Сольваты — продукты переменного состава, которые образуются при химическом взаимодействии частиц растворенного вещества с молекулами растворителя.

Если растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидратами. Процесс образования сольватов называется сольватацией. Процесс образования гидратов называется гидратацией. Гидраты некоторых веществ можно выделить в кристаллическом виде при выпаривании растворов. Например:

При растворении в воде сульфата меди (II) происходит его диссоциация на ионы:

Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды:

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами.

Вода, входящая в их состав, называется кристаллизационной водой. Примеры

В спокойном состоянии они могут годами оставаться без изменения.

Но стоит бросить в раствор кристаллик того вещества, которое в нем растворено, как вокруг него начинают расти другие кристаллы и через некоторое время весь избыток растворенного вещества выкристаллизовывается. Иногда кристаллизация начинается от простого сотрясения раствора или от трения стеклянной палочкой о стенки сосуда, в котором находится раствор. При кристаллизации выделяется значительное количество теплоты, вследствие чего сосуд с раствором заметно нагревается. Очень легко образуют пересыщенные растворы глауберова соль, бура, тиосульфат натрия.

В итоге, пересыщенные растворы являются неустойчивыми системами. Они Способны к существованию только при отсутствии в системе твердых частиц растворенного вещества.

Количественной характеристикой растворимости является коэффициент растворимости.

Коэффициент растворимости показывает, какая максимальная масса вещества может раствориться в 1000 мл растворителя при данной температуре. Растворимость выражают в граммах на литр (г/л).

По растворимости в воде вещества делят на 3 группы:

Растворимость веществ зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов). Растворимость газов при повышении температуры уменьшается, при повышении давления — увеличивается.

По кривым растворимости можно определить:

1) коэффициент растворимости веществ при различных температурах;

2 ) массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t ₁ °С до t ₂ ° С.

Процесс выделения вещества путем испарения или охлаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией. Перекристаллизация используется для очистки веществ.

Важной характеристикой любого раствора является его состав.

Количественная характеристика состава растворов

Для качественной характеристики растворов используют понятия «разбавленный раствор» (содержит мало растворенного вещества) и «концентрированный раствор» (содержит много растворенного вещества). Но границы между ними условны.

При работе с растворами необходимо знать их количественный состав. Количественный состав растворов выражается различными способами. Мы изучим два способа: массовая доля растворенного вещества и молярная концентрация (молярность).

Массовая доля растворенного вещества

Массовой долей растворенного вещества называется отношение массы растворенного вещества к массе раствора:

ω — массовая доля растворенного вещества, выраженная и долях единицы;

m (в-ва) — масса растворенного вещества, г;

m (р-ра) — масса раствора, г.

Массовую долю можно выражать также в процентах (%):

Массовую долю растворенного вещества в процентах (%) часто называют процентной концентрацией раствора.

Молярная концентрация показывает число молей растворенного вещества в одном литре раствора.

Молярную концентрацию можно рассчитать по формуле

На практике часто переходят от одного способа выражения концентрации к другому по известной плотности раствора, применяя формулу т = ρ • V.

Источник