§ 6. Растворы и дисперсные системы

Определения и обозначения

Раствор — однородная система переменного состава, состоящая из растворителя и одного или нескольких растворённых веществ. Например, в солёной воде вода является растворителем, а соль — растворённым веществом. Раствор отличается от чистого вещества тем, что содержит несколько компонентов и его состав можно изменять.

Дисперсная система — система, в которой частицы одного вещества распределены в другом веществе. Её свойства зависят от размера частиц: мелкие частицы почти не видны, а крупные могут оседать и задерживаться фильтром. Поэтому по внешнему виду и поведению можно отличить истинный раствор от коллоида или суспензии.

Дисперсная фаза — распределённое вещество, частицы которого образуют в системе отдельную фазу. Например, в меле, размешанном в воде, частички мела являются дисперсной фазой. Это понятие помогает назвать, какое именно вещество распределено в смеси.

Дисперсионная среда — непрерывная среда, в которой распределена дисперсная фаза. В той же смеси мела с водой дисперсионной средой будет вода. Название среды показывает, какое вещество окружает частицы и образует основную непрерывную часть системы.

Как это устроено

Раствор образуется, когда частицы растворяемого вещества проникают в промежутки между частицами растворителя и равномерно распределяются среди них. Однородность появляется потому, что молекулы или ионы очень малы по сравнению с объёмом всей системы. Поэтому в любой части раствора при одинаковых условиях обнаруживается примерно одинаковое соотношение компонентов.

Растворение не всегда означает химическую реакцию. Например, молекулы сахара переходят в воду без превращения в новое вещество, хотя меняется их распределение. Соль в воде распадается на ионы, но это также не означает обязательного образования нового химического соединения: при удалении воды ионы могут снова образовать кристаллическую соль.

Истинный раствор содержит частицы молекулярного или ионного размера, поэтому обычно прозрачен и устойчив при хранении. В коллоидной системе частицы крупнее: они могут рассеивать свет, но долго не оседают. В грубодисперсной системе частицы ещё больше, из-за чего смесь часто мутная, со временем расслаивается или образует осадок.

Тип системы зависит не только от размера частиц, но и от агрегатных состояний фазы и среды. Твёрдые частицы в жидкости образуют суспензию, например мел в воде, а капли одной жидкости в другой — эмульсию, например молоко. Если газ является средой, а в нём распределены жидкие или твёрдые частицы, возникает аэрозоль: туман содержит капли жидкости, дым — твёрдые частицы.

Крупные частицы заметнее проявляют действие силы тяжести, поэтому постепенно опускаются на дно. Их размеры также позволяют задерживать их в порах обычного фильтра. Частицы истинного раствора слишком малы, чтобы быть видимыми невооружённым глазом или остановиться на таком фильтре, поэтому раствор обычно проходит через него без разделения.

Сравнение систем по размеру частиц дисперсной фазы

В таблице сначала определите размер частиц, а затем сопоставьте с ним внешний вид и устойчивость системы. Чем крупнее частицы, тем вероятнее их оседание и задерживание фильтром. Коллоид занимает промежуточное положение: его частицы не видны отдельно, но система может рассеивать свет.

Разбор задач

Задача 1

Условие: определите тип системы для раствора поваренной соли в воде, молока и мела в воде. Укажите дисперсную фазу и дисперсионную среду. Сначала нужно оценить однородность и способность частиц оседать, а затем назвать оба компонента.

1. Раствор соли в воде относим к истинному раствору: соль распределена на уровне ионов. Дисперсная фаза в принятой для сравнения модели — частицы соли, дисперсионная среда — вода.
2. Молоко относим к коллоидной системе, где мелкие капли жира распределены в водной среде. Дисперсная фаза — капли жира, дисперсионная среда — вода с растворёнными веществами.
3. Мел в воде образует грубодисперсную систему, или суспензию. Дисперсная фаза — твёрдые частицы мела, дисперсионная среда — вода.

Ответ: соль в воде — истинный раствор; молоко — коллоидная система; мел в воде — суспензия. В каждом случае фаза названа по распределённым частицам, а среда — по непрерывному веществу.

Задача 2

Условие: в 180 г воды растворили 20 г вещества. Найдите массовую долю растворённого вещества. Массовая доля показывает, какую часть массы раствора составляет растворённый компонент.

1. Найдём массу раствора: m(раствора) = 180 г + 20 г = 200 г.
2. Используем формулу ω = m(вещества) / m(раствора) × 100%.
3. Подставим значения: ω = 20 г / 200 г × 100% = 10%.

Ответ: массовая доля вещества в растворе равна 10%.

Задача 3

Условие: смесь содержит 12 г вещества, нерастворимого в воде, и 188 г воды. Нужно экспериментально отличить образовавшуюся суспензию от истинного раствора. Для проверки используем признаки крупнодисперсной системы.

1. Оставим смесь в покое и понаблюдаем за ней. Частицы суспензии постепенно осядут на дно, тогда как частицы истинного раствора не образуют осадка.
2. Пропустим смесь через обычный фильтр. Нерастворимые частицы задержатся на фильтре, а вода пройдёт через него.
3. Сопоставим результаты с контрольным признаком: прозрачность сама по себе не является достаточной проверкой, поэтому нужны и отстаивание, и фильтрование.

Ответ: суспензию выявляют по оседанию частиц и их задерживанию обычным фильтром.

Типичные ошибки

Ошибка — считать любой прозрачный раствор чистым веществом. Так происходит из-за внешнего сходства раствора с одной фазой, но раствор содержит минимум растворитель и растворённый компонент. Проверка проста: спросите себя, можно ли указать состав и изменить соотношение компонентов без образования нового вещества.

Ошибка — называть растворённое вещество дисперсной фазой во всех случаях. В истинном растворе компоненты распределены на молекулярном или ионном уровне, поэтому привычное описание фазы и среды применяют осторожно. Проверьте размер частиц: если они не образуют отдельные видимые дисперсные частицы, перед вами именно истинный раствор.

Ошибка — считать, что дисперсная фаза всегда твёрдая. Фазой могут быть газ, жидкость или твёрдое вещество, например капли масла в воде или капли воды в тумане. Чтобы не ошибиться, определите агрегатное состояние распределённых частиц отдельно от состояния среды.

Ошибка — ожидать оседания частиц любой дисперсной системы. Скорость оседания зависит от размера и плотности частиц, а также от вязкости среды: мелкие частицы могут долго оставаться взвешенными. Проверяйте не только наличие мутности, но и результат длительного наблюдения.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об агрегатных состояниях, строении вещества, частицах и различии между смесью и чистым веществом. Эти представления объясняют, почему одинаковые на вид системы могут иметь разное внутреннее устройство. Без них трудно связать свойства смеси с размером её частиц.

Растворы понадобятся при изучении растворимости и концентрации, химических реакций в водной среде и способов разделения смесей. Массовая доля и другие характеристики раствора используются для расчётов состава. Фильтрование и отстаивание опираются на различия между дисперсными системами.

Дисперсные системы встречаются в природе и быту: туман, молоко, почва и лекарственные суспензии имеют разные фазы и среды. Их свойства определяют хранение, очистку и применение таких материалов. Поэтому тема связывает теорию строения вещества с наблюдаемыми явлениями.

Что запомнить

• Раствор — однородная смесь переменного состава.
• Растворитель — компонент, в котором распределено растворённое вещество.
• Дисперсная система состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
• Размер частиц влияет на наблюдаемые свойства системы.
• В суспензии твёрдые частицы распределены в жидкости и могут оседать.
• Эмульсия — система из капель одной жидкости в другой жидкости.
• Аэрозоль содержит газовую среду и распределённые в ней жидкие или твёрдые частицы.