Šķīdums

Šķīdums ir stabila homogēna dispersa sistēma jeb vairākkomponenšu vienfāzes sistēma. Dispersās sistēmas, kas atbilst sniegtajai definīcijai, mēdz precizējoši saukt par īstajiem šķīdumiem.

Pamatjēdzieni

• dispersa sistēma — sistēma, kurā viena viela daļiņu (atomu, molekulu, jonu) veidā ir izkliedēta citā vielā
• homogēna sistēma — viendabīga sistēma
• stabila sistēma — sistēma, kas bez ārēju spēku iedarbības paliek nemainīga
• dispersā fāze — izkliedētā viela
• dispersijas vide — viela, kurā izkliedēta cita viela
• šķīdinātājs — viela, kas šķīdumā saglabā savu agregātstāvokli (ja šķīdumu veido divi vai vairāki šķidrumi, tad par izšķīdušo vielu uzskata to, kura pēc atdzesēšanas izkristalizējas pirmā; ja šķīdumu veido divas vai vairākas viena agregātstāvokļa vielas, par šķīdinātāju var uzskatīt to, kura ir pārākumā)
• dispersijas pakāpe — dispersās fāzes sasmalcinātības pakāpe

Šķīdumu piemēri

Šķīdumi, izšķīdušās vielas un šķīdinātāji var atrasties jebkurā agregātstāvoklī.

Šķīdumu piemēri		Izšķīdusī viela
		Gāze	Šķidrums	Cietviela
Šķīdinātājs	Gāzveida	Skābeklis un citas gāzes slāpeklī (gaiss)	ūdens tvaiks gaisā (gaisa mitrums)	Jods (elements) sublimējas gaisā
	Šķidrs	Oglekļa dioksīds ūdenī (gāzētais ūdens)	Etanols ūdenī; dažādi ogļūdeņraži cits citā (nafta)	Saharoze (cukurs) ūdenī; nātrija hlorīds (sāls) ūdenī; zelts dzīvsudrabā, veidojot amalgamu
	Ciets	Ūdeņradis diezgan labi šķīst metālos. Ir bijuši mēģinājumi ūdeņraža uzglabāšanai lietot pallādiju. Šo efektu lietoja arī aukstās kodolsintēzes eksperimentiem	Heksāns parafīnā, dzīvsudrabs zeltā	Tērauds, dūralumīnijs, citi metālu sakausējumi

Šķīdumu veidošanās

Nosacīti šķīduma veidošanās norisinās trīs pakāpēs.

1. Šķīdinātāja molekulu savstarpējo mijiedarbības spēku (van der Vālsa, elektrostatiskie spēki, ūdeņraža saite) pārvarēšana, saukta arī par šķīdinātāja molekulu izplešanos. Šajā procesā tiek patērēta enerģija.
2. Šķīdināmās vielas daļiņu savstarpējo mijiedarbības spēku pārvarēšana. Tiek patērēta enerģija.
3. Mijiedarbība starp šķīdinātāja un šķīdināmās vielas daļinām jeb šķīduma veidošanās process. Visbiežāk šajā procesā enerģija izdalās. Vispārīgā veidā šo procesu sauc par solvatāciju un tā produktus sauc par solvātiem. Ja šķīdinātājs ir ūdens, procesu pieņemts saukt par hidratāciju un produktus — par hidrātiem.

Tādējādi šķīšana ir fizikāli ķīmisks process, kas noris jo pilnīgāk, jo noturīgāka saistība rodas starp šķīdinātāju un šķīdināmo vielu. Šķīšana var būt eksotermiska (visbiežāk) vai endotermiska, tās siltumefektu (entalpijas kopējo izmaiņu) nosaka no visu trīs pakāpju siltumefektiem:

$\Delta H_{sk}=\Delta H_{1}+\Delta H_{2}+\Delta H_{solvat}$.

Vielas ar polāru kovalento saiti vai jonu saiti labāk šķīst polāros šķīdinātājos (ūdens un citi), savukārt, vielas ar nepolāru kovalento saiti labāk šķīst nepolāros šķīdinātājos (benzols u.c.).

Šķīdība

Cieto vielu šķīdību parasti raksturo izšķīdušās vielas un šķīdinātāja masu attiecība piesātinātā šķīdumā, visbiežāk to izsaka ar vielas masu gramos, kas noteiktā temperatūrā spēj izšķīst 100 g šķīdinātāja. Ja vielas šķīšana norisinās ar siltuma uzņemšanu, tad temperatūras paaugstināšana šīs vielas šķīdību palielina. Turpretī, ja, vielai šķīstot, siltums izdalās, tad temperatūras paaugstināšana vielas šķīdību samazina.

Gāzes šķīdību noteiktā temperatūrā izsaka ar gāzes masu, kas 101 325 Pa kopspiedienā (gāzes un šķīdinātāja piesātināta tvaika spiedienu summa) izšķīst 100 g šķīdinātāja. Gāzes tilpums — normālos apstākļos. Gāzes, kas mijiedarbojas ar šķīdinātāju, šķīst labāk nekā gāzes, kuru daļiņas saistās ar šķīdinātāja molekulām tikai ar van der Vālsa spēkiem. Gāzēm, kas nereaģē ar šķīdinātāju, ir spēkā Henri likums: nemainīgā temperatūrā noteiktā šķīdinātāja tilpumā izšķīdušās gāzes daudzums ir proporcionāls šīs gāzes spiedienam virs šķīduma:

$c_{A}=k\cdot p_{A}$,

kur $c_{A}$ ir izšķīdušās gāzes koncentrācija, $p_{A}$ir šīs gāzes spiediens virs šķīduma, $k$ ir proporcionalitātes (Henri) konstante:

$k={\frac {c_{A}}{c_{g}}}$,

kur $c_{g}$ ir gāzes koncentrācija virs šķīduma. Šī attiecība pie noteiktas temperatūras ir konstants lielums.

Gāzes absorbcijas koeficients norāda, kādu tilpumu dotās gāzes absorbē šķīdinātāja tilpuma vienība normālos apstākļos. Gāzes šķīdība pieaug, palielinot sistēmas spiedienu. Paaugstinot temperatūru, gāzes šķīdība samazinās.

Šķīdumu skaitliskais sastāvs

Izšķīdušās vielas daļa

• Izšķīdušās vielas $S$ masas daļa $w$ ir šīs vielas masas attiecība pret šķīduma kopējo masu:

$w_{S}={\frac {m_{S}}{\Sigma m}}$ vai $w_{S}={\frac {m_{S}}{\Sigma m}}\cdot 100\%$.

• Izšķīdušās vielas $S$ daudzumdaļa (moldaļa) $\chi$ ir šīs vielas daudzuma attiecība pret šīs vielas un šķīdinātāja (solventa) summāro daudzumu:

$\chi _{S}={\frac {n_{s}}{n_{s}+n_{solv}}}$ vai $\chi _{s}={\frac {n_{s}}{n_{s}+n_{solv}}}\cdot 100\%$.

• Izšķīdušās vielas $S$ tilpumdaļa $\phi$ ir šīs vielas tilpuma attiecība pret šīs vielas un šķīdinātāja tilpumu summu pirms šķīdināšanas:

$\phi _{S}={\frac {V_{S}}{\Sigma V}}$ vai $\phi _{S}={\frac {V_{S}}{\Sigma V}}\cdot 100\%$.

Šķīdināmās vielas attiecība pret šķīdinātāju

• Masu attiecība ir šķīdināmās vielas $S$ masas attiecība pret šķīdinātāja masu:

${\frac {m_{S}}{m_{solv}}}$.

• Molalitāte $b_{S}$ ir izšķīdušās vielas $S$ daudzums vienā kilogramā šķīdinātāja:

$b_{S}={\frac {n_{S}}{m_{solv}}}={\frac {m_{S}}{M_{S}\cdot m_{solv}}}$.

• Tilpumattiecība ir šķīdināmās vielas $S$ tilpuma attiecība pret šķīdinātāja tilpumu:

${\frac {V_{S}}{V_{solv}}}$.

Izšķīdušās vielas koncentrācija

• Izšķīdušās vielas $S$ daudzumkoncentrācija (molārā koncentrācija) $c_{S}$ ir šīs vielas daudzums vienā litrā šķīduma:

$c_{S}={\frac {n_{S}}{V_{sk}}}={\frac {m_{S}}{M_{S}\cdot V_{sk}}}$.

• Izšķīdušās vielas $S$ ekvivalentu molārā koncentrācija (normālā koncentrācija) $c_{E,S}$ ir šīs vielas ekvivalentu skaits vienā litrā šķīduma:

$c_{E,S}={\frac {n_{E,S}}{V_{sk}}}$ .

• Izšķīdušās vielas $S$ masas koncentrācija $\gamma$ ir šīs vielas masas attiecība pret šķīduma tilpumu:

$\gamma ={\frac {m_{S}}{V_{sk}}}$.

Šķīdumu iedalījums

Pēc izšķīdušo vielu daudzuma šķīdumus iedala šādi.

• Nepiesātināti šķīdumi. Šķīdumi, kuros dotajos apstākļos vēl var izšķīdināt izšķīdušo vielu. Tie ir termodinamiski stabili.
• Piesātināti šķīdumi. Šķīdumi, kuros dotajos apstākļos izšķīdusī viela ir līdzsvarā ar šķīdumu. Tie ir termodinamiski stabili.
• Pārsātināti šķīdumi. Šķīdumi, kuros ir vairāk izšķīdušās vielas, nekā dotajos apstākļos tur iespējams izšķīdināt. Tie ir termodinamiski nestabili.

Vēl šķīdumus var iedalīt pēc to veidojošo vielu spējas vadīt elektrisko strāvu, tādējādi izšķirot

• elektrolītu šķīdumus un
• neelektrolītu šķīdumus.

Šķīdumu koligatīvās īpašības

Šķīdumu koligatīvās īpašības ir īpašības, kuras nosaka izšķīdušās vielas daļiņu tieksme mijiedarboties ar šķīdinātāja molekulām un kuru izpausme ir atkarīga tikai no izšķīdušās vielas daļiņu koncentrācijas. Starp šīm īpašībām ir viršanas un sasalšanas temperatūra, osmotiskais spiediens u.c.