РАСТВОРЕНИЕ КАК ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

  Растворы образуются при взаимодействии растворителя и растворённого вещества. Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества называется сольватацией (если растворителем является вода - гидратацией).

Растворение протекает с образованием различных по форме и прочности продуктов - гидратов. При этом участвуют силы как физической, так и химической природы. Процесс растворения вследствие такого рода взаимодействий компонентов сопровождается различными тепловыми явлениями.

   Известна так называемая неограниченная растворимость, когда две жидкости растворяются одна в другой во всех соотношениях, и ограниченная, когда растворимость одной жидкости в другой ограничена определенной концентрацией.

   При ограниченной взаимной растворимости двух жидкостей А и Б каждая из них растворяется, причем после отстаивания образуется два слоя, которые располагаются один над другим в порядке уменьшения плотности и состоят один из раствора Б в А, а другой -- из раствора А в Б.

  Рис.1. Ограниченная растворимость масло в воде

   Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе,  присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г NaCl в 100 г H2O, то при 20ºC растворится только 36 г соли). Растворы бывают ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные.

  Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества. Насыщенный раствор - это раствор, содержащий максимально возможное при определенных условиях количество вещества. Поместив в 100 г воды при 20ºC меньше 36 г NaCl,  мы получим ненасыщенный раствор.

Ненасыщенным называется раствор, у которого граница растворимости не достигнута. При нагревании смеси соли с водой до 100°C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 20ºC, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.

   Перенасыщенный раствор - это раствор, в котором содержится растворенного вещества больше того количества, что соответствует его нормальной растворимости при данных условиях.

                    Рис.2. Разбавленный, насыщенный и пересыщенный растворы.

  В аптечных условиях чаще готовят ненасыщенные растворы, реже -насыщенные и пересыщенные, так как они являются нестойкими системами.

Растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями и механическими смесями. От химических соединений растворы отличаются переменностью своего состава, а от вторых - своей однородностью. Вот почему растворами называют однофазные системы переменного состава, образованные не менее чем двумя независимыми компонентами.

   Д.И. Менделеев впервые стал рассматривать растворение не только как физический процесс, но и как процесс химического взаимодействия растворяемого вещества с растворителем. В частности, при растворении всегда поглощается или выделяется энергия (теплота растворения) и изменяется объем жидкости. Исследование растворов с помощью разных методов дало возможность установить наличие во многих из них, так называемых сольватов или гидратов, которые образуются в результате соответствующих процессов сольватации и гидратации.

  Гидратация веществ в водных растворах составляет отдельный случай сольватации всяким растворителем. Если растворитель вода, то эти соединения называются гидратами. Процесс гидратации следует рассматривать как химическую реакцию присоединения воды к веществу.

                                                          Рис.3 Процесс растворения электролитов                                                                  

  Гидратация происходит под влиянием сил молекулярного взаимодействия молекул воды и гидратированного вещества. Соли гидратируются ионами, имеющими значительные электрические поля, которые притягивают электрические полярные молекулы воды. Чем сильнее поле иона, то есть чем больший его заряд и меньший радиус, тем сильнее он гидратируется и тем крепче образованные гидраты. Образование сольватов во многих случаях изменяет свойства растворяемого вещества, что легко определяется непосредственным наблюдением.

Например, йод, который состоит из отдельных молекул, в газообразном состоянии имеет фиолетовое окрашивание. Такое же окрашивание сохраняется при растворении йода в бензине. Если же йод растворить в спирте, получается раствор красно - бурого цвета. Эта смена окраски свидетельствует о наличии взаимодействия между молекулами йода и спирта.

  Гидраты - довольно неустойчивые соединения, во многих случаях разлагаются уже при выпаривании растворов. Но иногда гидратная вода настолько прочно связана с молекулами растворенного вещества, что при выделении последнего из раствора она входит в состав его кристаллов.  К таким лекарственным веществам относятся глюкоза, терпингидрат, кодеин, квасцы, магния сульфат (MgSO₄∙7H₂O, MgSO₄∙6H₂O и MgSO₄∙H₂O), меди сульфат (CuSO₄·7H₂O, CuSO₄·5H₂O, CuSO₄·3H₂O) и др., которые являются кристаллогидратами с различным содержанием кристаллизационной воды. При удалении воды из кристаллогидратов они изменяют внешний вид и отдельные свойства (меди сульфат, гипс, кристаллическая сода и др.). В гидратированном состоянии пребывают и отдельные ионы растворенной в воде соли, что имеет определяющее значение для многих свойств растворов солей.

   Предельная растворимость многих веществ в воде (или в других растворителях) представляет собой постоянную величину, соответствующую концентрации насыщенного раствора при данной температуре. Она является качественной характеристикой растворимости и приводится в справочниках в граммах на 100 г растворителя (при определённых условиях).

Препарат считают растворившимся, если в растворе при наблюдении в проходящем свете не обнаруживаются частицы вещества. Относительно растворимости в некоторой степени руководствуются старым положением «подобное растворяется в подобном» (similia similibus solventur), то есть в свете современных взглядов на строение молекулы это представляется так: в неполярных растворителях (бензин, эфир и др.) хорошо растворяются разные соединения с неполярными или малополярными молекулами и не растворяются вещества другого типа. Наоборот, растворитель с сильно выраженным полярным характером молекул (вода), как правило, растворяет вещества с молекулами полярного и отчасти ионного типов и не растворяет вещества с неполярными молекулами.

  К полярным растворителям относятся жидкости, сочетающие большую диэлектрическую постоянную, большой дипольный момент с наличием функциональных групп, обеспечивающих образование координационных (большей частью водородных) связей: вода, кислоты, низшие спирты и гликоли, амины и т. д.  Наличие полярных групп в молекуле вещества сильно влияет на его растворимость.

  Как правило, вещества хорошо растворимы в воде и друг в друге, если на каждую полярную группу приходится не более трех атомов углеводородного радикала. При большем наличии углеводородных радикалов между молекулами возникают столь большие дисперсионные силы, что они препятствуют растворению таких веществ в полярных растворителях.

  Полярные вещества - это вещества с ионной (ионные кристаллы) и полярной связью (полярные молекулы), например, натрия хлорид.

  К неполярным растворителям относятся жидкости с малым дипольным моментом, не имеющие активных функциональных групп, например, углеводороды, галоидалкилы и др. Неполярные вещества - это вещества строго симметричной структуры, без электрических полюсов (например, парафин, скипидар, камфора, тимол и др.).

  Однако вышеприведенное правило не всегда действительно, особенно в применении к сложным органическим соединениям, которые содержат как полярные (…ОН, …SO₃H, …NH₂ , …COOH, …COONa), так и неполярные (алкильные или арильные радикалы) группы. К таким соединениям относятся углеводы, спирты, кетоны, органические кислоты, амины и др. Растворимость этих веществ зависит от преобладания полярных или неполярных групп. Например, спирт этиловый С₂Н₅ОН смешивается с водой в любых соотношениях, амиловый С₅Н₁₁ОН - не выше 10 %, а спирт цетиловый С₁₆Н₃₃ОН практически в воде не растворяется.

   Российские и советские ученые внесли большой вклад в развитие химической науки. В частности, изучением растворов занимались следующие ученые. Менделеев Д.И. развил химическую (сольватную) теорию растворов. Коновалов  Д.П.  - один из основоположников учения о растворах, химической термодинамики.  Каблуков И.А. занимался электрохимией неводных растворов, развил представление о сольватации  ионов. Кистяковский В.А. занимался изучением комплексных коллоидно - электрохимических проблем, одновременно и независимо от И. А. Каблукова ввел представление о сольватации ионов. Их работы положили начало сближению физической и химической теорий растворов.

Рис.4. Д.И.Менделеев

                                                                      (8.02.1834-2.02.1907)

      Рис.5. Д.П.Коновалов (12.03.1856 – 6.01.1929)                                                   

 Рис.6. И.А. Каблуков (2.09. 1837- 5.05. 1942)

Рис.7. В.А. Кистяковский (12.10.1865-19.10.1952)