Каким образом происходит растворение? Молекула воды в силу своей высокой полярности (в результате разнесенности электрически зарядов) обладает электрическим полем, способным притягивать молекулы других веществ. При соприкосновении с водой ионы, составляющие кристаллическую решетку вещества (рис. 1.10), окружают полярными молекулами воды, которые образуют гидратную оболочку вокруг оторванных от кристаллической структуры ионов.
Рис. 1.10. Растворение каменной соли
Многие вещества содержат в своей кристаллической решетке некоторое количество молекул воды, которых, однако, недостаточно для полного растворения вещества. Такие вещества называются кристаллогидратами. К их числу относится сода Na₂CO₃ x 10Н₂О, сернокислый алюминий Al₂SO₄ x 18Н₂О и многие другие. Минимальной растворимостью обладают карбонаты - кальциевые и магниевые соли угольной кислоты. Очень хорошо растворяется поваренная соль NaCl, поэтому ее много в морской воде. В табл. 1.3 представлен средний солевой состав воды океанов.

 

Таблица 1.3. Средний солевой состав воды океанов

Наименование соли	Хлорид натрия	Хлорид магния	Сульфат кальция	Сульфат магния	Карбонат кальция	Бромид магния
Формула	NaCl	MgCl2	CaSO4	MgSO4	CaCO2	MgBr2
Содержание в воде, г/кг	27,2	3,8	1,3	1,6	0,1	0,1

Растворимость некоторых солей зависит от температуры (табл.1.4).
Таблица 1.4. Растворимость солей, г/кг, при различных температурах

Соль	Температура,° С
	10	20	30	40	50	60	70
Nacl	35,7	35,8	36,1	36,4	36,7	37,1	-
Na2CO3	12,5	21,5	40,8	50,0	-	46,6	46,2
Na2SO4	9,0	19,2	41,0	48,0	46,8	45,3	45,1

Помимо солей, в воде растворяются и газы. Они находятся в воде в виде молекулярных растворов, т.е. как бы помещаются между молекулами воды. В тоже время при избыточном количество газы могут находится в воде в виде мельчайших пузырьков. Количество газа, которое может раствориться в воде, зависит от его природы, давления над поверхностью воды и от температуры. В табл. 1.5 приведены данные о растворимости некоторых газов при различных температурах воздуха. Давление газа над поверхностью воды составляет 1 атм (0,1 МПа). При уменьшении давления количество растворенного в воде газа будет пропорционально уменьшаться.

Таблица 1.5. Растворимость газов, мг/кг, при различных температурах (давление газа 1 атм)

Газ	Температура,° С
	0	10	20	30	40	50	60	70	80
CO2	3350	2310	1690	1260	970	760	580	-	-
O2	69,5	53,7	43,4	35,9	30,8	26,6	22,8	-	13,8
H2S	7070	5110	3550	2980	2360	1780	1480	960	765

Истинные и коллоидные растворы

Природные воды, используемые для хозяйственно-бытовых целей, прошли большой круг оборота в природе: испарились с поверхности океана, выпали на землю в виде дождя, снега или инея, растворили в себе значительное количество химических элементов и, по сути, стали растворами. В зависимости от размера частиц растворенного в воде вещества различают истинные и коллоидные растворы.
Истинными называются растворы, в которых растворенное вещество находится в ионной форме. Причиной разложения в воде молекул вещества на ионы является электролитическая диссоциация электролитов. Процесс электролитической диссоциации, например, соляной и угольной кислот можно выразить формулами:
НСl —› Н⁺ + Сl^-
Н₂СO₃ —› Н⁺ + НСO₃^-;
НСO₃^- —› Н⁺ + СO₃^2-;
Соляная кислота имеет в своем составе один ион водорода и диссоциирует в одну ступень. Угольная кислота содержит два иона водорода, поэтому она имеет две ступени диссоциации. Помимо этого, различают сильные и слабые электролиты. Сильные электролиты практически полностью диссоциируют в воде, а слабые - в незначительном количестве распадаются на ионы. Поэтому соляная кислота относится к сильным электролитам, а угольная - к слабым. Положительно заряженные ионы, образующиеся в процессе диссоциации, называются катионами, отрицательно заряженные - анионами. Размер диссоциированных ионов в основном соответствует размеру атомов или молекул и составляет около 10^-10м. В табл. 1.6 приведена степень ионизации электролитов в 0, 1 Н (децинормальном) растворе.
В ионном растворе соблюдается принцип электронейтральности, поэтому в нем всегда находится равное число эквивалентов катионов и анионов. Катионы имеют положительный заряд и названы так потому, что при электролизе движутся к катоду. Анионы же имеют отрицательный заряд и при электролизе движутся к аноду.

Таблица 1.6. Степень ионизации электролитов в 0,1 Н растворе при температуре 18°С (для сильных электролитов - кажущаяся)

Наименование электролита	КАТИОН	АНИОН	Степень ионизации, %
Кислоты:
Азотная	H+	NO3-	92
Соляная	H+	Cl-	92
Серная	2H+	SO42-	58
Фосфорная	H+	H2PO4-	27
Сернистая	2H+	SO32-	34
Уксусная	H+	CH3COO-	1.3
Угольная	H+	HCO3-	0.17
Сероводородная	2H+	S2-	0.07
Борная	H+	H2BO3-	0.01
Основания:
Едкий натр	Na+	OH-	92
Едкое кали	K+	OH-	91
Едкий аммоний	NH4+	OH-	1.3
Соли:
Тип Ме+А-, например, KCl	Me+	A-	86
Тип Ме2+А2-, например, K2SO4	Me2+	A2-	73

Коллоидными (или просто коллоидами) называются растворы, в которых вещество находится не в ионизированном виде, а во взвешенном состоянии, в виде так называемых коллоидных частиц. Их размеры лежат в пределах от 10^-9 до 10^-7 м.
Существует три типа коллоидных частиц, в соответствии с которыми коллоидные растворы подразделяются на три группы.
Первая группа - суспензоиды, представляющие собой коллоидные растворы металлов, окислов химических элементов и других солей. В устойчивых растворах коллоидные частицы несут различные по ве­личине, но одинаковые по знаку электрические заряды, что препятствует их слипанию и укрупнению. Коллоидные растворы этой группы называются золями или необратимыми коллоидными растворами, так как при контакте с растворителями выпавшие или выпаренные осадки вновь золей не образуют. Основу этих коллоидных растворов составляют низкомолекулярные неорганические вещества.
Вторая группа - ассоциативные (мицелярные) растворы, образованные низкомолекулярными веществами, объединенными в агрегаты молекул - мицеллы. В центре мицеллы могут находиться молекулы различных элементов (соединений). В данном случае в центре мицеллы находятся молекулы гидроокиси железа, они составляют ее ядро и имеют в основном нейтральный заряд. В то же время непосредственно к ядру мицеллы примыкает потенциалообразующий слой ионов (в данном случае - с положительным знаком), а к нему примыкает слой противоионов Сl^-. Эти два различно заряженных слоя образуют двойной электрический слой. В результате броуновского движения часть противоионов отстает от коллоидной частицы, которая приобретает электрический заряд. Гидроокиси железа и алюминия образуют коллоиды с положительным зарядом, хотя большинство коллоидных частиц природных вод при рН 6,5 - 7,5 имеют на грануле отрицательный заряд. Наличие электрического заряда препятствует слипанию и укрупнению частиц (коагуляции). Такая дисперсная система может существовать неопределенно долго, несмотря на то, что гидроокись железа является малорастворимым соединением. В ядре коллоидной частицы может находиться до 10⁹ атомов.
Третья группа - молекулярные коллоиды, к которым относятся растворы природных и синтетических высокомолекулярных веществ с молекулярной массой от 10 000 до нескольких миллионов. Молекулы этих веществ имеют размеры коллоидной частицы, поэтому их называют макромолекулами. Эти коллоиды способны превращаться в гели и студни в результате коагуляции. Высушенные студни, и отличие от гелей, способны вновь набухать в воде.
Строение мицеллы приведено на рис. 1. 11.

 

Концентрация растворов

Концентрация растворов определяется содержанием в них растворенного вещества. По концентрации растворы могут быть приблизительными и точными в зависимости от назначения и предъявляемых к ним требований. Концентрация раствора может выражаться в различных единицах.
Приблизительные растворы. Концентрацию таких растворов выражают в весовых или объемных процентах. Весовыми процентами называют количество вещества в граммах, растворенного в 100 г раствора. Например, десертное вино (16%) содержит 16 г сахара в 100 г раство­ра. Объемными процентами называют количество вещества в процентах от общего объема раствора. Например, в 100 мл водки содержится 40 мл спирта (40 об. %).
Точные растворы. Важнейшими единицами измерения концентрации точных растворов являются:

• титр - содержание вещества в граммах в 1 мл раствора;
• молярность - молярная концентрация, т. е. количество молей вещества, содержащегося в 1 л раствора (моль/л);
• нормальность - нормальная концентрация, т. е. количество грамм-эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора;
• моляльность - моляльная концентрация, т. е. отношение количества молей вещества, содержащегося в растворе, к массе растворителя (моль/кг).
  Здесь необходимо напомнить, что 1 моль вещества численно равен его молекулярному весу, т. е. 1 моль воды весит около 18 г, а 1 моль ионов водорода - 1 г.
  Традиционно при аналитических работах содержание вещества в растворах выражают обычно только нормальностью. Нормальность раствора удобно определять путем умножения количества молей вещества (ионов) в растворе на валентность. Для одновалентных ионов численные значения молярной и нормальной концентраций будут совпадать. Для двухвалентных ионов численное значение молярной концентрации будя в два раза меньше нормальной концентрации. И так далее.
  Молярностью пользуются преимущественно при физико-химических исследованиях, а в практике водоподготовки концентрацию присутствующих в воде примесей определяют нормальностью (в миллиграмм-эквивалентах на литр).

Из книги "Чистая вода"
Миклашевский Н.В.
Королькова С.В.