В химии раствор определяется ИЮПАК как «жидкая или твердая фаза, содержащая более одного вещества, когда для удобства одно (или более) вещество, которое называется растворителем, обрабатывается иначе, чем другие вещества, которые называются растворенными веществами. Когда, как это часто, но не обязательно, сумма мольных долей растворенных веществ мала по сравнению с единицей, раствор называется разбавленным раствором. Верхний индекс, прикрепленный к символу ∞ для свойства раствора, обозначает свойство в пределе бесконечного разбавления». [1] Одним из важных параметров раствора является концентрация , которая является мерой количества растворенного вещества в данном количестве раствора или растворителя. Термин « водный раствор » используется, когда одним из растворителей является вода . [2]
Гомогенный означает, что компоненты смеси образуют одну фазу. Гетерогенный означает, что компоненты смеси находятся в разных фазах. Свойства смеси (такие как концентрация, температура и плотность) могут быть равномерно распределены по объему, но только при отсутствии явлений диффузии или после их завершения. Обычно растворителем считается вещество, присутствующее в наибольшем количестве. Растворителями могут быть газы, жидкости или твердые тела. Один или несколько компонентов, присутствующих в растворе, кроме растворителя, называются растворенными веществами. Раствор имеет то же физическое состояние , что и растворитель.
Если растворитель является газом , то при заданном наборе условий растворяются только газы (неконденсирующиеся) или пары (конденсирующиеся). Примером газообразного раствора является воздух (кислород и другие газы, растворенные в азоте). Поскольку взаимодействия между газообразными молекулами почти не играют роли, неконденсирующиеся газы образуют довольно тривиальные растворы. В литературе их даже не классифицируют как растворы, а просто рассматривают как однородные смеси газов. Броуновское движение и постоянное молекулярное перемешивание молекул газа гарантируют однородность газообразных систем. Неконденсирующиеся газовые смеси (например, воздух/CO 2 или воздух/ксенон) не расслаиваются самопроизвольно и не осаждаются, а отчетливо стратифицированы и разделяют газовые слои в зависимости от их относительной плотности . Диффузионные силы эффективно противодействуют силам гравитации в нормальных условиях, преобладающих на Земле. Случай конденсирующихся паров иной: как только достигается давление насыщенного пара при заданной температуре, избыток пара конденсируется в жидкое состояние .
Жидкости растворяют газы, другие жидкости и твердые вещества. Примером растворенного газа является кислород в воде, который позволяет рыбам дышать под водой. Примером растворенной жидкости является этанол в воде, который содержится в алкогольных напитках . Примером растворенного твердого вещества является сахарная вода, которая содержит растворенную сахарозу .
Если растворитель является твердым веществом , то в нем могут растворяться газы, жидкости и твердые вещества.
Способность одного соединения растворяться в другом соединении называется растворимостью . [ необходимо уточнение ] Когда жидкость может полностью раствориться в другой жидкости, две жидкости являются смешивающимися . Два вещества, которые никогда не могут смешаться, чтобы образовать раствор, называются несмешивающимися .
Все растворы имеют положительную энтропию смешивания. Взаимодействия между различными молекулами или ионами могут быть энергетически выгодными или нет. Если взаимодействия невыгодны, то свободная энергия уменьшается с увеличением концентрации растворенного вещества. В какой-то момент потеря энергии перевешивает прирост энтропии, и больше никаких частиц растворенного вещества [ необходимо разъяснение ] не может быть растворено; раствор называется насыщенным . Однако точка, в которой раствор может стать насыщенным, может значительно меняться в зависимости от различных факторов окружающей среды, таких как температура , давление и загрязнение. Для некоторых комбинаций растворенное вещество-растворитель перенасыщенный раствор можно приготовить, повысив растворимость (например, путем повышения температуры) для растворения большего количества растворенного вещества, а затем понизив ее (например, путем охлаждения).
Обычно, чем выше температура растворителя, тем больше данного твердого растворенного вещества он может растворить. Однако большинство газов и некоторые соединения демонстрируют растворимость, которая уменьшается с повышением температуры. Такое поведение является результатом экзотермической энтальпии раствора . Некоторые поверхностно-активные вещества демонстрируют такое поведение. Растворимость жидкостей в жидкостях, как правило, менее чувствительна к температуре, чем растворимость твердых веществ или газов.
Физические свойства соединений, такие как температура плавления и температура кипения, изменяются при добавлении других соединений. Вместе они называются коллигативными свойствами . Существует несколько способов количественного определения количества одного соединения, растворенного в других соединениях, которые вместе называются концентрацией . Примерами являются молярность , объемная доля и мольная доля .
Свойства идеальных растворов можно рассчитать с помощью линейной комбинации свойств его компонентов. Если и растворенное вещество, и растворитель присутствуют в равных количествах (например, в растворе 50% этанола и 50% воды), понятия «растворенное вещество» и «растворитель» становятся менее значимыми, но вещество, которое чаще используется в качестве растворителя, обычно обозначается как растворитель (в данном примере вода).
В принципе, все типы жидкостей могут вести себя как растворители: жидкие благородные газы , расплавленные металлы, расплавленные соли, расплавленные ковалентные сети и молекулярные жидкости. В практике химии и биохимии большинство растворителей являются молекулярными жидкостями. Их можно разделить на полярные и неполярные в зависимости от того, обладают ли их молекулы постоянным электрическим дипольным моментом . Другое различие заключается в том, могут ли их молекулы образовывать водородные связи ( протонные и апротонные растворители). Вода , наиболее часто используемый растворитель, является как полярной, так и поддерживает водородные связи.
Соли растворяются в полярных растворителях, образуя положительные и отрицательные ионы, которые притягиваются к отрицательным и положительным концам молекулы растворителя соответственно. Если растворителем является вода, гидратация происходит, когда заряженные ионы растворенного вещества оказываются окруженными молекулами воды. Стандартным примером является водная соленая вода. Такие растворы называются электролитами . Всякий раз, когда соль растворяется в воде, необходимо учитывать ассоциацию ионов .
Полярные растворенные вещества растворяются в полярных растворителях, образуя полярные связи или водородные связи. Например, все алкогольные напитки представляют собой водные растворы этанола . С другой стороны, неполярные растворенные вещества лучше растворяются в неполярных растворителях. Примерами являются углеводороды, такие как масло и жир , которые легко смешиваются, но несовместимы с водой.
Примером несмешиваемости нефти и воды является утечка нефти из поврежденного танкера, которая не растворяется в морской воде, а плавает на поверхности.
Медиа, связанные с Solutions на Wikimedia Commons