Одно из наиболее удивительных свойств воды — ее способность растворять многие вещества с образованием водных растворов. Растворы— очень важное состояние вещества; они имеют весьма большое значение для промышленности и для жизненных процессов. Вода океанов представляет собой водный раствор, содержащий тысячи компонентов: ионы металлов и неметаллов, комплексные неорганические ионы, множество различных органических веществ. Именно в этом растворе впервые развились живые организмы, и из него они получали ионы и молекулы, необходимые для их роста и жизни. С течением времени живые организмы эволюционировали, что позволило им покинуть водную среду и перейти на сушу и подняться в воздух. Они приобрели эту способность, сохранив в своих организмах водный раствор в виде жидкой составляющей ткани, плазмы крови и межклеточных жидкостей, содержащих необходимый запас ионов и молекул.
Свойства растворов тщательно изучали ученые. Было установлено, что в большинстве своем они подчиняются некоторым простым законам. Эти законы, а также некоторые сведения о растворах рассмотрены в последующих разделах данной главы.
Типы растворов. Номенклатура
В гл. 1 раствор был определен как однородное вещество, не имеющее определенного состава.
Наиболее распространенные растворы представляют собой жидкости. Газированная вода, например, является жидким раствором двуокиси углерода в воде. Воздух не что иное, как газовый раствор азота, кислорода, двуокиси углерода, водяных паров и аргоноидов. Сплав, из которого изготовляют серебряные монеты, представляет собой твердый, или кристаллический, раствор серебра и меди. Структура этого кристаллического раствора похожа на структуру кристаллической меди, описание которой дано в гл. 2. Атомы расположены здесь в том же порядке, в плотнейшей кубической упаковке, однако атомы серебра и атомы меди чередуются в довольно неупорядоченной последовательности.
Концентрацию растворенного вещества часто выражают числом граммов на 100 г растворителя или числом граммов на 1 л раствора. Иногда удобно указывать число грамм-молекул (молей) на 1 л раствора (молярность) или число эквивалентных масс (разд. 11.3) на 1 л раствора (нормальность). Иногда эти количества относят к 1000 г растворителя; тогда их соответственно называют моляльностью и нормальностью по массе.
Следует отметить, что 1 М водный раствор нельзя приготовить с достаточной точностью растворением 1 моля вещества в 1 л воды, поскольку объем раствора, как правило, отличается от взятого объема растворителя*. Объем раствора не равен сумме объемов компонентов; например, 1 л воды и 1 л спирта дают при смешивании 1,93 л раствора; следовательно, объем уменьшается на 3,5%. Пока еще нет надежных способов для предсказания плотности того или иного раствора; таблицы экспериментальных значений для наиболее важных растворов можно найти в различных справочниках.
Пример 9.4.
Раствор приготовлен растворением 64,11 г Мg(NO3)2·6Н2O в воде, и объем его доведен до 1 л. Охарактеризуйте этот раствор.
Решение. Молекулярная масса, соответствующая формуле Мg(NO3)2·6Н2O, равна 256,43; следовательно, раствор имеет концентрацию 0,25 М по этому веществу (0,25-молярный раствор). Эта соль в растворе полностью диссоциирована на ионы Mg2+ и NO3-. Данный раствор 0,25 М по Mg2+ и 0,60 М по NO3-. Поскольку магний двухвалентен, его эквивалентная масса равна половине грамм-молекулярной массы. Поэтому раствор также 0,50 н. (0,50-нормальный) по Mg2+ и 0,50 н. по NO3-.
* Раствор определенной молярности готовят, растворяя взвешенное количество вещества сначала в неполном объеме растворителя, а затем, постепенно добавляя растворитель, доводят общий объем раствора до метки в мерной колбе. — Прим. перев.