Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

венный характер. Например, замечено, что полярные раст­ ворители, как правило, хороinq растворяют полярные ве­ щества и плохо—неполярные. Неполярные растворители, наоборот, хорошо растворяют неполярные вещества и пло­ хо — полярные. В том случае, если один из компонентов рас­ твора полярен, а второй не­ полярен, растворимость бы­ вает незначительной.

Растворимость большинст­ ва твердых тел с повышением температуры увеличивается. Однако бывают и исключения

из этого правила. Так, растворимость СаСЮ4 и Са (ОН)2 в воде с повышением температуры уменьшается. Изменение растворимости

в виде кривых растворимости. На рис. 43 приведены кривые раствори­ мости некоторых солей в воде. Резкий излом на кривой растворимости сульфата натрия соответствует превращению кристаллогидрата

— 116

таллизации. При остывании горячего насыщенного раствора какойлибо соли, загрязненной посторонними примесями, значительная часть этой соли выделится в осадок, а загрязняющие примеси ос­ танутся в_ растворе, так как последний даже на холоде не будет насы­ щенным раствором по отношению к этим примесям. Подобным обра­ зом можно очищать любые твердые вещества, растворимость кото­ рых сильно зависит от температуры.

Если растворимость вещества мало изменяется с температурой, очистка его путем перекристаллизации становится невозможной. В этом случае насыщенный раствор очищают упариванием, т. е. уда­ ляют из него часть воды. В процессе упаривания некоторая доля очи­ щаемого вещества выкристаллизовывается, а примеси остаются в раст­ воре.

§ 3S. Природные растворы

Вода, как известно, вследствие полярности ее молекул является хоро­ шим растворителем для многих веществ. Она играет исключительно важную роль в геохимических и гидрогеологических процессах земной коры. Природные воды активно участвуют в образовании и разрушении различных минералов. При взаи­ модействии с твердыми телами вода превращается в раствор, который содержит элементы, входившие ранее в состав этих тел. Растворяя газы атмосферы и перено­ ся их течениями-дш громадные расстояния, вода выступает в роли регулятора состава воздуха. Достаточно указать, что в воде океанов содержится в восемь раз больше двуокиси углерода, чем в воздухе.

По составу природные растворы являются исключительно сложными физико­ химическими системами. Все пресные воды (с содержанием сухого остатка от 1 г!л и менее), а также минерализованные воды (сухой остаток более 1 г/л) явля­ ются природными растворами. Это воды рек, озер, морей, океанов, почвенные и грунтовые воды, межпластовые, жильные, карстовые, так называемые «юве­ нильные» воды и т. п. Общее количество воды на земле по приблизительным под­ счетам составляет 2 • 1018 т. Причем, около 3/5 этого количества сосредоточено в морях и океанах, остальные 2/5 воды приходится на льды суши, водяной пар атмосферы, а также на воду в составе твердых тел земной коры.

Вода в природе выступает не только как растворитель. Многие природные реакции протекают с ее участием. При растворении многих веществ в воде про­ исходит химическое взаимодействие между ионами растворенного вещества и ио­ нами Н+ и ОН~ воды, сопровождающееся образованием слабых кислот или сла­ бых оснований. Эти реакции получили название гидролитических.

Именно в силу своей высокой активности вода играет исключительно важную роль в химическом выветривании горных пород. Причем активность воды при взаимодействии с горными породами значительно возрастает в присутствии дву­ окиси углерода. Этому фактору В. Р. Вильямс придавал исключительно важное значение в процессах почвообразования.

Находясь под постоянным воздействием воды, воздуха и резкой смены тем­ ператур, горные породы дробятся. Воды дождей извлекают из них растворимые составные части и вместе с нерастворимыми частицами, главным образом песка и глины, уносят в реки. Здесь взвешенные частицы сортируются по плотности: сначала отлагается песок, а затем более мелкие глинистые частицы. В течение веков вдоль русла реки образуется мощная залежь, состоящая из песка и глины, а сама река вынуждена прокладывать себе новое русло. На обнажившемся старом русле под влиянием биологических и физико-химических факторов образуется

почва и развивается наземная растительность.

Почвенный раствор также относится к числу сложных природных систем. Как известно, растения усваивают питательные вещества, растворенные в форме солей в жидкой части почвы, т. е. в почвенном растворе. Эти соли поступают

— 117 —

в почвенный раствор из минералов, разложившихся остатков растений и живот­ ных, а также микроорганизмов. Кроме того, на составе почвенного раствора за­ метно сказывается внесение органических, минеральных, органо-минеральных и бактериальных удобрений. Иногда в почве содержится избыток легкораствори­ мых солей — хлоридов и сульфатов натрия и других, которые угнетающе дейст­ вуют на растения. Поэтому для повышения плодородия почв необходимо удалить из них избыток солей путем промывания или другими мелиоративными приемами.

В твердой части почвы имеется большой запас минеральных веществ, в поч­ венном же растворе находится лишь небольшая их часть, преимущественно в форме ионов кальция, магния, калия, натрия, железа, алюминия и анионов ря­ да кислот: фосфорной, серной, азотной, угольной. В почвенных растворах засо­ ленных почв содержится много Cl- , SOj~, Са2+, Mg2+ и Na-ионов (табл. 24).

Чрезвычайно сложный солевой состав имеют воды морей и океанов. Среди растворенных солей в морской воде преобладают хлориды и сульфаты натрия и магния. В табл. 25 приведен средний элементарный состав морской воды в про­ центах по данным А. П. Виноградова (1944).

Необходимо отметить, что помимо перечисленных в этой таблице элементов, морская вода содержит почти все элементы периодической системы Д. И. Мен­ делеева, но в еще меньших количествах. Так, в одной тонне морской воды нахо­ дится 0,000004 г золота.

— 118

Очень часто природные растворы ведут себя как коллоидно-дисперсные си­ стемы с характерными для коллоидных'растворов оптическими и физико-хими ческими свойствами. Подобные растворы активно участвуют в образовании коры выветривания почвенного покрова, а также в образовании осадочных пород и руд.

РАЗБАВЛЕННЫЕ РАСТВОРЫ

В конце XIX в. Рауль, Вант-Гофф, Аррениус установили весь­ ма важные закономерности, связывающие концентрацию раствора с осмотическим давлением, давлением насыщенного пара, температурой кипения и замерзания. Причем законы Рауля и Вант-Гоффа справед­ ливы для сильно разбавленных растворов неэлектролитов (мольная доля растворенного вещества N < 0,005). Растворы, подчиняющиеся этим законам, получили название идеальных растворов. Теория иде­ альных растворов в настоящее время хорошо разработана. Она отли­ чается простотой, поскольку базируется на том условии, что компо­ ненты идеального раствора не взаимодействуют друг с другом. Идеаль­ ные растворы ведут себя как газы и подчиняются законам идеальных газов. Ряд свойств идеальных растворов зависит только от концент­ рации растворенного вещества и не зависит от химической природы растворенных молекул. Реальные смеси газов и растворы также имеют ряд общих свойств. Это сходство особенно характерно для сильно раз­ бавленных растворов. Поведение молекул неэлектролита в таком раст­ воре во многих отношениях аналогично поведению идеального газа.

§ 36. Диффузия и осмос в растворах

Как известно, в смесях газов и в растворах частицы равномерно распределяются по всему объему. Например, если на концентрирован­ ный раствор сахара осторожно налить слой чистой воды, то молекулы сахара, совершая хаотическое тепловое движение, постепенно равно­ мерно распределяются по всему объему жидкости. Одновременно и молекулы воды проникают в раствор сахара, разбавляя его. Оба эти процесса идут самопроизвольно и до тех пор, пока не произойдет пол­ ного выравнивания концентрации сахара во всем объеме раствора. Самопроизвольный процесс переноса вещества, в результате которого устанавливается равновесное распределение концентраций вследствие беспорядочного теплового движения молекул, атомов, ионов в газах, жидкостях или твердых телах, называется диффузией. Диффузия имеет место и при смешивании растворов различных концентраций, а также в твердых телах и газах. Причем, скорость ее в газах наибольшая, а в твердых телах наименьшая.

Как правило, диффузия частиц совершается из области большей их концентрации в область меньшей концентрации, т. е. количество частиц растворенного вещества, проходящих в единицу времени в сто­ рону меньшей концентрации, больше, чем в обратном направлении.

Диффузия может быть выражена количественно. Представим себе, что на некотором расстоянии хх от дна сосуда концентрация раство­

119