Тема 3 растворы
Растворами называют гомогенные системы, состоящие из двух или большего числа компонентов.
Метаболические процессы, протекающие в живых организмах (растениях, животных, микробах), осуществляются при участии водных растворов органических и неорганических соединений и катализаторов. Например, в клетках растений под действием энергии солнечного излучения инициируется цепь последовательных химических реакций, позволяющая превратить водный раствор углекислого газа в глюкозу (фотосинтез):
h
6СО2(р-р) + 6Н2О(ж) С6Н12О6(р-р) + 6О2(г).
глюкоза
Человек состоит примерно на 70 мас. % из воды, входящей в состав клеток и внеклеточной жидкости. Водные растворы неорганических ионов и органических соединений в составе клеток, плазмы крови, спинномозговой жидкости и лимфы обеспечивают нормальное функционирование человеческого организма.
В растворах химические реакции идут быстрее, чем в гетерогенной системе, в которой контакт между реагентами ограничен поверхностью раздела фаз (рис. 26, а). Молекулярная, ионная и атомная степень раздробленности соединений, составляющих раствор, позволяет вступать им в химические реакции во всем объеме раствора (рис. 26, б). Если требуется исключить взаимодействие реагентов, например защитить металл от коррозии, поверхность покрывают лаками, красками, разнообразными полимерными материалами, предотвращая непосредственный контакт металла с кислородом и влагой воздуха.
Наряду с жидкими растворами и газовыми смесями, в промышленности широко используются твердые растворы (рис. 27). Твердые растворы часто обладают более ценными механическими и физическими свойствами по сравнению с чистыми металлами. К твердым растворам относится бронза (Cu – Sn), латунь (Cu – Zn), сплавы серебра с золотом и медью (Au – Ag, Ag – Cu), мельхиор – сплавы меди с никелем (Cu – Ni). Последние обладают высокой коррозионной стойкостью, используются в морском судостроении, для изготовления медицинских инструментов, столовых приборов, посуды, монет, оболочек пуль.
а) б)
Рис. 26. Модель взаимодействия реагентов: а) в гетерогенной системе молекулы реагентов сталкиваются между собой только на поверхности раздела фаз; б) в растворе (гомогенной системе) молекулы реагентов находятся в одной фазе, поэтому число столкновений между реагентами увеличилось.
Воздух,
содержание газов, об.%
N2,
78
O2,
21 Ar,
0.96 CO2,
0.036
а) б) в)
Рис. 27. Различные типы растворов: а) жидкий раствор CuSO4 с молекулярной и ионной степенью раздробленности: Н2О, Cu2+, SO42; б) твердый раствор (сплав металлов Au в Ag,) с атомной степенью раздробленности; в) газообразный раствор (смесь газов)
Деление раствора на растворитель и растворенное вещество – условный прием. Компонент раствора, присутствующий в большем количестве, принято называть растворителем. Вода всегда является растворителем независимо от количества растворенных веществ: соли, кислоты, щелочи.
Сталь – важнейший материал современной техники представляет собой твердый раствор углерода (~ 2 %) в железе. Для газов используется термин газовая смесь и не акцентируется внимание на том, «что в чем» растворено.