Растворы. Общие понятия

4.1. Выражение состава смесей и растворов

Известно, что различные вещества способны смешиваться друг с другом или растворяться друг в друге с образованием многокомпонентных фаз, состав которых может быть произвольным в некоторых пределах. Образуемая фаза называется смесью или раствором, если её компоненты перемешаны друг с другом на молекулярном уровне. Слово смесь подразумевает, что компоненты рассматриваются как равноправные. Обычно это слово применяется, когда компоненты могут смешиваться в любых отношениях, без ограничений на их содержание. Слово раствор предполагает, что один или некоторые из компонент рассматриваются как растворитель, а другие – как растворённые вещества. Обычно, состав раствора ограничен растворимостью растворенных веществ. В качестве растворителя принимается тот компонент, который содержится в относительном избытке и определяет агрегатное состояние раствора. Однако разница между понятиями "раствор" и "смесь" является условной и несущественной, так как одни и те же вещества могут смешиваться ограниченно или неограниченно в зависимости от температуры и давления.

Смеси и растворы известны для любого агрегатного состояния. Например, ртуть (жидкий металл при комнатных условиях) может образовывать растворы и смеси с многими другими металлами (твёрдыми). Вода может растворяться в желатине (твёрдый полимер), а при повышенной температуре они смешиваются друг с другом в любой пропорции. Газообразный азот растворяется в металлическом титане; водород – в палладии. Множество очевидных примеров можно привести для жидких и газовых смесей или растворов.

Есть несколько способов выражения состава многокомпонентных фаз. Некоторые из них являются универсальными, то есть применимыми к смесям и растворам в любом агрегатном состоянии. Другие – применимы только к газовым смесям или только к растворам.

К универсальным способам относятся мольная доля и концентрация. Мольной долей компонента называется отношение количества этого компонента к общему количеству вещества в смеси:

,                                    (4.1)

где суммирование распространяется по всем компонентам смеси. Эта величина является безразмерной. Когда речь идёт о составах двух или более фаз в системе, мольные доли в разных фазах могут обозначаться разными символами (x_i, y_i и т.д.). Можно заметить, что сумма мольных долей всех компонент фазы равна единице:

.                                                 (4.2)

Концентрацией или молярностью называется отношение количества данного компонента к объёму смеси или раствора:

.                                                  (4.3)

Эту величину называют так же молярной концентрацией, однако следует обратить внимание, что она не является молярной величиной. (Вспомним, что молярной величиной называется интенсивная величина, полученная из экстенсивной делением на количество вещества; см. раздел 2.1). Размерность концентрации: количество вещества/объём. Единица измерения СИ [моль м^‑3], хотя на практике обычно используется [моль дм^–3], что тождественно устаревшей единице [моль л^–1]. Иногда единицу измерения [моль л^–1] обозначают М. Например, раствор 1 моль л^–1 HCl может быть обозначен 1 М HCl. Но эта практика не согласуется с СИ.

Состав газовой смеси или раствора может быть выражен с помощью парциальных давлений. По определению, парциальным давлением компонента называется величина                                                       ,                                                  (4.4)

где р – общее давление. Парциальное давление компонента равно давлению, которое этот компонент имел бы, если бы он занимал весь объём газовой смеси один при той же температуре. При таком определении, сумма парциальных давлений всех компонент равна общему давлению, что является выражением закона Дальтона: