Что такое смеси?

Разделение смесей

1. Если в смеси невооруженным глазом не видно разделения компонентов, то смесь однородна. Примерами таких смесей являются минеральная вода, духи, ароматизированные жидкости или воздух.
2. Когда компоненты смеси визуально различимы, мы говорим о гетерогенных смесях. В таких смесях даже после длительного встряхивания или перемешивания отчетливо видны разные слои.

Примеры гетерогенных смесей

Первой может быть вода с маслом, в этом случае она представляет собой смесь двух жидкостей, которые не смешиваются даже при взбалтывании, а капельки масла можно легко увидеть плавающими на поверхности воды. Другой тип гетерогенной смеси — порошкообразный мел в воде. Это твердое вещество, введенное в жидкость, но не растворяющееся в ней. Вместо этого в результате перемешивания образуется суспензия, которая через некоторое время расслаивается, и присутствующие в ней частицы мела опускаются на дно.

Раствор

Это особый тип смеси, состоящий как минимум из двух компонентов, один из которых называется растворителем, а остальные — растворенными в нем веществами. При смешивании двух жидкостей или двух газов растворителем, иначе называемым дисперсной фазой, обычно является вещество, которое в большей степени присутствует в растворе. Тот, которого меньше — это растворенное в нем вещество. Растворенные вещества также называют дисперсной фазой, и их может быть несколько в растворе. В таких случаях мы говорим о многокомпонентных решениях.

Часто используемые решения

В повседневной жизни чаще всего встречаются растворы различных веществ в воде, возможно, в органических растворителях. В домашних хозяйствах, например, используются различные цели:

• уксус, 10%-ный раствор уксусной кислоты,
• для дезинфекции ран мы используем перекись водорода — 3%-ный раствор перекиси водорода,
• другой раствор — молоко — часто добавляют в кофе или хлопья для завтрака.

Примерами растворов в других состояниях вещества могут быть воздух, представляющий собой смесь преимущественно азота, кислорода, паров воды и углекислого газа, и бронза — раствор в твердом состоянии, состоящий из меди и олова. Количество вещества, растворенного в растворителе, определяет, к какому типу оно относится — концентрированному или разбавленному.

Типы растворов

Существует несколько делений решений в зависимости от рассматриваемых параметров. Самым важным из них является разделение на:

1. Насыщенный раствор — это раствор, полученный путем растворения максимально возможного количества вещества в растворителе. Это означает, что при заданных условиях давления и температуры растворить дисперсную фазу больше невозможно.
2. Ненасыщенный раствор — это раствор, в котором 100 граммов при данной температуре и давлении могут растворить большее количество растворителя. Однако количество вещества влияет на его концентрацию.

Среди растворов мы также выделяем следующие:

1. Разбавленный раствор — это раствор, в котором количество растворителя значительно превышает количество растворенного вещества. Обычно это растворы с концентрацией в несколько процентов.
2. Концентрированный раствор — это раствор, в котором количество вещества дисперсной фазы по отношению к диспергирующей фазе составляет несколько десятков процентов.
3. Пересыщенный раствор — это специфическая система, в которой имеется дополнительное количество вещества, которое не может быть растворено при заданных условиях давления и температуры. Этот тип раствора можно легко получить, осторожно охладив насыщенный раствор. Такие растворы характеризуются высокой нестабильностью, и систему можно нарушить даже более энергичным встряхиванием или добавлением дополнительного кристалла вещества, что приведет к полной кристаллизации избыточного вещества и переходу раствора в насыщенное состояние.

Для повышения насыщенности раствора можно использовать несколько методов — увеличить количество растворителя, выпарить часть растворителя, а в случае твердых веществ повысить насыщенность можно и путем понижения температуры.

В противоположной ситуации, чтобы уменьшить насыщенность раствора, проще всего добавить в систему больше растворителя или, в случае твердых веществ, повысить температуру раствора. Температурные маневры эффективны для систем жидкость-твердое тело, так как они напрямую влияют на растворимость вещества в дисперсной фазе.

Растворимость

Основным условием образования раствора, т.е. оптически однородной смеси, является протекание процесса, называемого растворением. Она включает в себя переход молекул вещества в раствор. Обратной стороной этого процесса является образование твердой кристаллической фазы, то есть кристаллизация вещества.

Каждое вещество имеет свою скорость растворения и эффективность. Например, мы можем сказать, что одно вещество очень хорошо растворимо в воде, а другое — очень плохо.

С другой стороны, растворимость — это количество граммов вещества, которое необходимо растворить, чтобы получить насыщенный раствор, используя 100 граммов растворителя, при заданных условиях давления и температуры. Скорость растворения вещества зависит не только от типа растворителя, но и от:

1. температуры, так как чем выше температура, тем больше энергия частиц, что, в свою очередь, заставляет их сталкиваться все чаще и чаще;
2. механическое перемешивание, которое облегчает смешивание частиц;
3. фрагментации растворенного вещества, поскольку чем больше фрагментация, тем легче проникают частицы растворителя между растворяющими веществами.

Знание понятий растворимости или степени насыщенности растворов позволяет решать простые расчеты, облегчающие повседневную работу каждого химика. О растворимости многих веществ можно судить по кривым растворимости, представленным в книгах, которые показывают зависимость количества граммов вещества от температуры.

Примеры химических задач, в которых необходимо использовать понятие растворимости

Задание 1.

Растворимость вещества X в воде при данной температуре составляет
45 г. Рассчитайте, сколько граммов растворителя содержится в 600 г насыщенного раствора.

Мы знаем, что растворимость равна 45 г, а это значит, что 45 г вещества растворяется в 100 г воды, в результате чего получается насыщенный раствор. Масса раствора складывается из массы вещества и массы растворителя, таким образом:

m_{раствора} = 45 г + 100 г = 145 г

Зная это, мы можем вычислить соотношение:

145 г раствора — 100 г воды

600 г раствора – мг воды

Задание 2.

Рассчитайте, сколько граммов хлорида аммония должно быть дополнительно растворено в 100 г воды, если нагреть раствор от 50 ^oCдо 80 ^oC, чтобы раствор оставался насыщенным.

Из кривой растворимости хлорида аммония в воде можно сделать следующие выводы:

1. Растворимость при 50 ^oCсоставляет около 48 г.
2. Растворимость при 80 ^oCсоставляет примерно 64 г.

Поскольку понятие растворимости относится к количеству вещества, растворенного в 100 г воды, легко подсчитать, что для поддержания насыщенного раствора требуется дополнительное растворение:

64 г — 48 г = 16 г _NH4Cl

Задание 3.

Какой раствор образуется, если приготовить раствор, состоящий из 100 г воды и 50 г хлорида аммония, при температуре 60 ^oC?

Используя кривую растворимости, мы знаем, что при ^60oCрастворимость хлорида аммония составляет: R = 55 г. Это означает, что при добавлении 50 г хлорида аммония к 100 г воды при этой температуре могут раствориться еще 5 г. Таким образом, приготовленный раствор является ненасыщенным.