Применение

Некоторые лекарственные препараты применяются в коллоидной форме. Препараты серебра (прошаргол, колларгол) используются в медицине исключительно в коллоидной форме. Введение в организм лекарства в каллоидной форме локализует его действие и увеличивает срок его действия на больной орган, так как такое вещество выводится из тканей организма гораздо медленнее, чем, если бы оно было введено в виде обычного раствора.

Растворы Растворы в природе. Теории растворов

Растворы в природе и жизнедеятельности играют огромную роль. Воздух (загрязненный) - N₂, О₂, СО₂ и другие вещества, морская вода – Н₂О + Nа⁺ , Мg²⁺, СГ, S0₄^2- и т.д. Человеческий организм содержит множество различных растворов; простые растворы солей и кислот; сложная дисперсия - кровь. Растворы могут существовать в любом агрегатном состоянии, но обязательно состоят из одной фазы. Естественно, что на разных этапах развития человечества проблема познания природы растворов решалась разными способами. Первый этап в познании природы растворов нашел отражение в философских высказываниях древних греков, второй - в работах алхимиков средних веков, третий - в работах Д. И. Менделеева и его последователей.

Нельзя не согласиться с известным историком химии П. Вальденом, который утверждал, что на протяжении многих веков история химии является историей вопроса о природе растворов, ибо основные реакции протекают именно в растворах. В средние века родился известный лозунг алхимиков "Соrроrа nisi soluta non аgunt" ("Только растворенные вещества взаимодействуют"). В настоящее время большинство химических реакций - это реакции в растворах, поэтому познание природы растворов необходимо с научной и практической точки зрения.

Во второй половине XIX в. в науке существовало две точки зрения на природу растворов. Согласно первой раствор уподоблялся газовой смеси, то есть растворитель и растворенное вещество, образуя раствор, не меняют своей природы (физическая теория). Вторые считали раствор химическим соединением (химическая теория). Имелась и промежуточная теория. Так, Г. И. Гесс полагал, что те растворы, из которых после испарения растворителя выделяется вещество, не содержащее молекул растворителя (вода), принадлежат к группе так называемых физических растворов, а растворы, из которых кристаллизуются кристаллосольваты (кристаллогидраты) являются химическими соединениями.

Д. И. Менделеев для выработки единой точки зрения на природу растворов применил метод исключения. Чтобы исключить химическую теорию, он указал на неприменимость к растворам законов постоянства состава и кратных отношений. Для доказательства несостоятельности физической теории он использовал собственные экспериментальные данные и результаты исследования других ученых. Изучая спиртоводные смеси и плотности растворов вообще, он сформулировал важный тезис: объемы растворов не являются аддитивными величинами по отношению к объемам растворителя и растворенного вещества. Он также указал на факт изменения окраски раствора по сравнению с окраской растворителя и растворенного вещества, что указывало на какие-то существенные изменения, происходящие в природе вещества при его растворении. Физическая теория не могла объяснить эти факты. Но самое существенное доказательство неправомочности физической теории на растворы - это сам процесс растворения. Как можно понять растворение вещества, если не предположить взаимодействия растворителя с растворенным веществом? Для того чтобы растворить кристалл, надо разрушить его кристаллическую решетку, а для этого необходима энергия. Откуда берется эта энергия, если не в результате взаимодействия веществ? Для создания своей концепции Д. И. Менделеев использовал работы Сент-Клэр Девилля, который впервые ввел понятие об обратимости химических реакций. Если S-молекула растворителя, а R-молекула растворяемого вещества, то в простейшем случае можно записать уравнение:

S + R→ SR

Так записывается равновесие, которое характеризует раствор в представлении Д.И. Менделеева. Точнее это равновесие записывается следующим образом:

mS + пR.← S_xR_а + S_yR_β + S_zR_У+ ...

Таким образом, раствор - это сложная, термодинамически устойчивая химическая система, образованная растворителем, растворенным веществом и продуктами их взаимодействия.

Основываясь на приведенных уравнениях, Д. И. Менделеев объединил две теории на природу растворов, так как левая часть уравнений может символизировать физическую теорию, а правая - химическую. Он написал (1887 г.): "Растворы представляют жидкие ассоциированные системы, образованные частицами растворителя, растворенного вещества и тех определенных нестойких, но экзотермических соединений, которые между ними происходят, одного или нескольких, смотря по природе составляющих начал". В настоящее время обратимость реакций в растворах доказана экспериментально.

Основными компонентами раствора являются растворитель (дисперсионная среда) и растворенное вещество (дисперсная фаза). Это деление чисто условно. Если раствор образуется при смешивании компонентов одинакового агрегатного состояния, то растворителем считается компонент, которого в растворе больше. В остальных случаях растворителем обычно является жидкость или компонент агрегатное состояние которого не меняется при образовании раствора.

Механизм процесса растворения

Д. И. Менделеев писал: "Для полного понимания растворов необходимо признать равноправие всех компонентов, составляющих систему. Игнорировать растворитель, рассматривать его как инертную среду, недопустимо. Необходимо учитывать все типы взаимодействия между всеми видами частиц". При растворении происходит изменение структуры и свойств как растворенного вещества, так и растворителя. Между ними имеет место диполь - дипольное, ион - дипольное и другие взаимодействия. При этом возникают донорно-акцеп-торные, водородные и другие типы связей. Все виды взаимодействия между частицами Каблуков И. А. назвал сольватацией, а получающиеся продукты - сольватами, а в случае водных растворов - гидратацией и гидратами. Все эти процессы приводят к установлению равновесия в системе (∆G=0). Таким образом: истинные растворы - это гомогенные, равновесные, многокомпонентные системы, достигшие минимума ∆G за счет всех видов взаимодействия между всеми видами частиц.

Растворы представляют собой дисперсные системы, в которых частицы одного вещества равномерно распределены в другом.

Тепловые эффекты при растворении

Растворение обычно сопровождается заметным тепловым эффектом (эндо- или экзотермическим), изменением объема (общий объем раствора не равен сумме объемов компонентов) иногда изменением окраски и т.п. Так растворение твердых веществ в жидкостях можно рассматривать как фазовый переход из твердого в жидкое состояние, то есть аналогичен процессу плавления - процесс эндотермический (∆Н > О, ∆S > 0). При растворении в жидкостях газов и жидкостей (процесс аналогичен процессу конденсации) происходит выделение теплоты (∆Н < О, ∆S < 0). С термодинамической точки зрения растворение всегда сопровождается убылью энергии Гиббса. При этом независимо от знака изменения энтальпии при растворении всегда ∆G < 0, так как переход вещества в раствор сопровождается значительным возрастанием энтропии вследствие стремления системы к разупорядочению. Общий тепловой эффект равен

∆H растворения = ∆Н фаз. пер. + ∆H сольват.

Ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные растворы

При растворении твердого кристаллического вещества (например, сахара) в воде идут два взаимно противоположных процесса - растворение и кристаллизация, которые сопровождаются определенной скоростью (υ_р и υ_кр). Система, в которой υ_Р больше υ_кр называется ненасыщенной . Это растворы, в которых при данных условиях может растворяться данное вещество. Система, в которой υ_р = υ_кр называется насыщенной, т.е. раствор, который находится в равновесии с избытком растворенного вещества (в котором при данных условиях невозможно дальнейшее растворение вещества). Ненасыщенные и насыщенные растворы являются термодинамически устойчивыми системами. Раствор, содержащий больше растворенного вещества, чем это определяется его растворимостью, называется пересыщенным. Пересыщенный раствор представляет собой неустойчивую, метастабильную систему. При любом внешнем воздействии в системе происходят необратимые изменения, сопровождающиеся осаждением избыточного количества растворенного вещества. Это явление часто используют для очистки веществ перекристаллизацией.