Растворы и смеси

В химии термины "раствор" и "смесь" относятся к комбинациям веществ и их взаимодействиям. Эти концепции важны для понимания того, как различные вещества взаимодействуют, комбинируются и передают конкретные свойства их состоянию вещества и форме. Мы подробно изучим эти концепции, с целью создания надежной основы для понимания основных принципов химии.

Что такое смесь?

Смесь — это комбинация двух или более веществ, в которой каждое вещество сохраняет свою химическую идентичность и свойства. Смеси можно разделить на два типа: однородные и неоднородные.

Однородная смесь

Однородные смеси имеют равномерный состав. Это означает, что компоненты, составляющие смесь, равномерно распределены по всей смеси. Общим примером этого служит соленая вода, в которой соль (хлорид натрия) равномерно распределена в воде.

Пример: Раствор соли (NaCl) в воде.
NaCl + H2O → Na+ + Cl- + H2O
    

Другим примером является воздух, которым мы дышим, являющийся однородной смесью азота, кислорода и небольших количеств других газов.

₂, O₂,
следы Ar, CO₂, других

Неоднородные смеси

В отличие от них, неоднородные смеси не имеют равномерного состава, что означает, что разные образцы, взятые из одной и той же смеси, могут не иметь точно такого же состава. Общими примерами являются салаты, смесь песка и сахара, и горные породы, содержащие различные минералы.

Пример: Песок и железные опилки.
Компоненты остаются раздельными и могут быть разделены физическими методами, такими как магниты.
    

Что такое раствор?

Раствор - это вид однородной смеси, состоящий из двух или более веществ. В растворе вещество растворяется в растворителе, образуя одну фазу, имеющую однородный вид и состав по всему веществу.

Многие растворы являются жидкими, но они также могут быть газообразными или твёрдыми. Наиболее известные жидкие растворы включают соленую воду и сахарную воду. Газообразные растворы включают воздух, которым мы дышим, а твёрдые растворы включают сплавы, такие как сталь, являющаяся смесью железа и углерода.

Компоненты раствора

• Растворитель: Компонент раствора, в котором растворяется вещество. Растворитель обычно присутствует в избытке.
• Растворенное вещество: Вещество, которое растворяется в растворителе. Обычно оно присутствует в меньшем количестве, чем растворитель.

Типы растворов

В зависимости от природы растворенного вещества и растворителя можно образовать различные типы растворов, которые классифицируются в зависимости от их физического состояния.

Газообразные растворы

Когда газы объединяются для образования растворов, их основным признаком является равномерное распределение. Воздух является лучшим примером этого, где газы сохраняют равномерно распределенное расположение.

Жидкие растворы

При работе с жидкими растворами растворитель и растворенное вещество могут быть жидкостями, однако они могут быть также твердые или газообразные вещества, растворенные в жидкости. Соленая вода является основным примером твердого вещества, растворенного в жидкости, в то время как газированные напитки являются примерами газа (углекислый газ в воде) в жидком растворе.

Твердые растворы

Твердые растворы, такие как сплавы, представляют собой смеси двух или более элементов, где один или несколько элементов содержатся в металлической матрице, такой как медь в серебре. Эти сплавы демонстрируют такие свойства, как повышенная прочность и стойкость к коррозии по сравнению с их составными элементами.

Свойства растворов

Существует несколько типов характеристик растворов:

Концентрация

Концентрация раствора относится к количеству растворенного вещества, содержащегося в определенном количестве растворителя или раствора. Она может быть выражена различными способами, такими как:

• Молярность (M): Моли растворенного вещества на литр раствора.
• Процент (%): Весовой или объемный процент растворенного вещества в растворе.
• Моляльность (m): Моли растворенного вещества на килограмм растворителя.

Молярность (M) = (моли растворенного вещества) / (литры раствора)
Процент (%) = (Масса растворенного вещества / Общая масса раствора) x 100
Моляльность (M) = (моли растворенного вещества) / (килограммы растворителя)
    

Растворимость

Растворимость — это способность вещества (растворенного вещества) растворяться в растворителе при заданной температуре и давлении для образования однородного раствора. Растворимость варьируется с температурой и давлением и определяет, сколько растворенного вещества может раствориться в растворителе для образования насыщенного раствора при заданных условиях.

Коллигативные свойства

Коллигативные свойства зависят от числа частиц растворенного вещества в растворе, а не от личности растворенного вещества. Эти свойства включают повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания, уменьшение давления пара и осмотическое давление.

Повышение температуры кипения: ΔT = iKb m
Понижение температуры замерзания: ΔT = iKf m
Уменьшение давления пара: ΔP = iP0 Xрастворенное вещество
Осмотическое давление: Π = iMRT
    

Разделение смесей и растворов

Хотя смеси содержат много компонентов, их часто можно разделить на отдельные вещества. Это разделение может быть выполнено различными физическими процессами.

Фильтрация

Фильтрация отделяет твердые вещества от жидкостей в неоднородной смеси с использованием пористого барьера. Она полезна для разделения смесей, таких как песок и вода.

Дистилляция

Дистилляция отделяет вещества на основе разницы в их температурах кипения. Она идеальна для разделения растворов веществ с широким различием температур кипения, таких как спирт и вода.

Кристаллизация

Кристаллизация отделяет раствор, образуя твердые кристаллы растворенного вещества. Она используется, когда растворимость растворенного вещества ниже при более низких температурах, чем при более высоких температурах.

Хроматография

Хроматография отделяет компоненты смеси на основе их движения через неподвижную фазу. Она используется для отделения различных веществ в жидком растворе.

Различие между раствором и смесью

Важно понять разницу между растворами и смесями в химии, чтобы объяснить, как вещества взаимодействуют:

• Однородность: Растворы всегда однородны, тогда как смеси могут быть как однородными, так и неоднородными.
Размер частиц: Частицы в растворе находятся на атомном уровне (такие как ионы и молекулы), в то время как смеси могут содержать более крупные частицы.
• Разделение: Растворенные вещества в растворах растворяются на молекулярном уровне, что делает разделение компонентов более сложным, чем в смесях.

Применения в повседневной жизни

Концепции растворов и смесей находят практическое применение в повседневной жизни:

Еда и кулинария

На кухне смешивание и перемешивание необходимо для приготовления супов, соусов или напитков. Например, сахар, растворенный в чае, образует раствор, в то время как салат — это просто смесь овощей.

Медикаменты

Многие лекарства представляют собой растворы или суспензии. Правильная концентрация растворенного вещества в лекарственном препарате обеспечивает эффективность и безопасность препарата для потребления.

Пример: Сироп от кашля часто является раствором медицинских соединений, растворенных в сахарном сиропе.
    

Экологические науки

Экологи часто изучают растворы и смеси для понимания загрязнения, очистки воды и атмосферной науки, например, при оценке состава загрязненного воздуха или водоемов.

Промышленные применения

В промышленности растворы широко используются для смешивания химикатов в процессе производства, таких как гальванопокрытие и производство красок, где растворенные вещества растворяются в растворителях для создания однородного продукта.

Пример: Гальваническое покрытие включает в себя осаждение металла на поверхность с использованием раствора, содержащего ионы металлов.
    

В заключение

Понимание растворов и смесей является основополагающим для изучения химии. Эти смешанные состояния вещества определяют, как вещества взаимодействуют, образуются и разделяются в различных условиях. От повседневных кухонных занятий до передовых научных исследований, распознавание свойств и поведения растворов и смесей оснащает нас знаниями, чтобы манипулировать и внедрять инновации в самых разных областях. Это неотъемлемая часть химии, которая предоставляет важную информацию о структуре и трансформации вещества, связывая нас с процессами, управляющими нашим физическим миром.

Комментарии