И еще одна особенность имеется у этой уникальной диаграммы состояния: существуют две разные гелиевые жидкости В чем их различие - вы узнаете чуть позже.
Если посолить бульон и размешать ложкой, то не останется и следов соли. Не следует думать, что крупинок соли просто не видно невооруженным глазом. Кристаллики соли никаким способом не удастся обнаружить по той причине, что они растворились. Если подбавить в бульон перца, то раствора не получится. Можно перемешивать бульон хоть сутками - крошечные черные крупинки не исчезнут.
Но что значит - "вещество растворилось"? Ведь атомы или молекулы, из которого оно построено, не могут пропасть бесследно? Конечно, нет, они и не пропадают. При растворении исчезает лишь крупинка вещества, кристаллик, скопление молекул одного сорта. Растворение состоит в таком перемешивании частиц смеси, при котором молекулы одного вещества распределяются между молекулами другого. Раствор -- это смесь молекул или атомов разных веществ.
Раствор может содержать различные количества растворенного вещества. Состав раствора характеризуется его концентрацией, например, отношением числа граммов растворенного вещества к числу литров раствора.
По мере добавления растворяемого вещества концентрация раствора растет, но не беспредельно. Рано или поздно раствор становится насыщенным и перестает "принимать в себя" растворяемое вещество. Концентрация насыщенного раствора, т. е. "предельная" концентрация раствора, называется растворимостью.
Удивительно много сахара можно растворить в горячей воде. При температуре 80°С полный стакан воды примет без остатка 720 г сахара. Этот насыщенный раствор будет густым и вязким, повара называют его сахарным сиропом. Мы привели для сахара цифру для граненого стакана, емкость которого 0,2 л. Значит, концентрация сахара в воде при 80°С равняется 3600 г/л (читается: "грамм на литр").
Растворимость некоторых веществ сильно зависит от температуры. При комнатной температуре (20°С) растворимость сахара в воде падает до 2000 г/л. Напротив, растворимость соли совершенно незначительно меняется с изменением температуры.
Сахар и соль хорошо растворяются в воде. А вот нафталин в воде практически нерастворим. Различные вещества в различных растворителях растворяются совершенно различно. Повторим еще раз, что в очень многих случаях растворами пользуются для выращивания монокристаллов. Если подвесить в насыщенный раствор маленький кристаллик растворенного вещества, то по мере испарения растворителя растворенное вещество будет высаживаться на поверхности этого кристаллика. При этом молекулы будут соблюдать строгий порядок, и в результате маленький кристаллик превратится в большой, оставаясь монокристаллом.
Можно ли растворить жидкость в жидкости? Разумеется, можно. Например, водка - это раствор спирта в воде (или, если угодно, воды в спирте,- смотря чего больше). Водка - настоящий раствор, молекулы воды и спирта полностью перемешаны в ней.
Однако не всегда при смешении двух жидкостей получится такой результат.
Попробуйте подлить к воде керосин. Никаким перемешиванием не удастся получить однородный раствор, это так же безнадежно, как растворять перец в супе. Как только перемешивание прекращается, жидкости располагаются слоями: более тяжелая вода - внизу, более легкий керосин - наверху. Керосин с водой и спирт с водой - системы, противоположные по свойствам растворимости.
Однако имеются и промежуточные случаи. Если смешать эфир с водой, то мы отчетливо увидим в сосуде два слоя. На первый взгляд может показаться, что сверху эфир, а внизу вода. На самом же деле и нижний и верхний слои являются растворами: внизу - вода, в которой растворилась часть эфира (концентрация 25 г эфира на литр воды), а наверху - эфир, в котором имеется заметное количество воды (60 г/л).
Теперь поинтересуемся растворами газов. Ясно, что все газы растворяются друг в друге в неограниченных количествах. Два газа всегда перемешиваются так, что молекулы одного проникают между молекулами другого. Ведь молекулы газов мало взаимодействуют друг с другом, и каждый газ ведет себя в присутствии другого газа, в некотором смысле не обращая "внимания" на своего сожителя.
Газы могут растворяться и в жидкостях. Однако уже не в любых количествах, а в ограниченных, не отличаясь в этом отношении от твердых веществ. При этом разные газы растворяются по-разному, и различия эти могут быть очень большими. В воде можно растворить огромные количества аммиака (на полстакана холодной воды - около 100 г), большие количества сероводорода и углекислоты. В незначительном количестве растворимы в воде кислород и азот (0,07 и 0,03 г на литр холодной воды). Таким образом, в литре холодной воды находится всего лишь около сотой грамма воздуха. Однако и это маленькое количество играет большую роль в жизни на Земле - ведь растворенным в воде кислородом воздуха дышат рыбы.
Чем больше давление газа, тем больше его растворится в жидкости. Если количество растворенного газа не очень велико, то между ним и давлением газа над поверхностью жидкости имеется прямая пропорциональность.
Кто не получал удовольствия от холодной газированной воды, так хорошо утоляющей жажду! Получение газированной воды возможно благодаря зависимости количества растворенного газа от давления. Углекислый газ загоняют в воду под давлением (из баллонов, которые имеются у каждого киоска, где продают газированную воду). Когда воду наливают в стакан, давление падает до атмосферного и вода выделяет "лишний" газ в виде пузырьков.
Учитывая подобные эффекты, водолазов нельзя быстро поднимать из воды на поверхность. Под большим давлением на глубине в крови водолаза растворяется дополнительное количество воздуха. При подъеме давление падает, воздух начинает выделяться в виде пузырьков и может закупорить кровеносные сосуды.
В жизни слово "раствор" применяют к жидкостям. Однако существуют и твердые смеси, атомы или молекулы которых однородно перемешаны. Но как получить твердые растворы? При помощи пестика и ступки их не получишь. Поэтому смешивающиеся вещества надо сначала сделать жидкими, т. е. расплавить, потом смешать жидкости и дать смеси затвердеть. Можно поступить и иначе - растворить два вещества, которые мы хотим смешать, в какой-либо жидкости, а затем уже выпарить растворитель. Такими способами могут получиться твердые растворы. Могут получиться, но обычно не получаются. Твердые растворы - это редкость. Если в соленую воду бросить кусок сахара, он превосходно растворится. Выпарим воду; на дне чашки обнаружатся мельчайшие кристаллики соли и сахара. Соль с сахаром не дают твердых растворов.
Можно расплавить в одном тигле кадмий с висмутом. После охлаждения мы увидим в микроскоп смесь кристалликов кадмия и висмута. Висмут и кадмий тоже не образуют твердых растворов.
Необходимым, хотя и не достаточным, условием возникновения твердых растворов является близость молекул или атомов смешивающихся веществ по форме и размерам. В этом случае при замерзании смеси образуется один сорт кристалликов. Узлы решетки каждого кристалла обычно беспорядочно заселены атомами (молекулами) разных сортов.
Сплавы металлов, имеющие большое техническое значение, зачастую представляют собой твердые растворы. Растворением небольшого количества примеси можно резко изменить свойства металла. Яркой иллюстрацией этого является получение одного из наиболее распространенных в технике материалов - стали, представляющей собой твердый раствор малых количеств углерода - порядка 0,5 весового процента (один атом углерода на 40 атомов железа) - в железе, причем атомы углерода беспорядочно внедрены между атомами железа.
В железе растворяется лишь небольшое число атомов углерода. Однако некоторые твердые растворы образуются при смешении веществ в любых пропорциях. Примером может служить сплав золото - медь. Кристаллы золота и меди имеют решетку одинакового типа - кубическую гранецентрированную. Такую же решетку имеет сплав меди с золотом. Представление о структуре сплава со все увеличивающейся долей меди мы получим, если будем мысленно удалять из решетки атомы золота и заменять их атомами меди. При этом замена происходит беспорядочно, атомы меди распределяются в общем как попало по узлам решетки. Сплавы меди с золотом можно назвать растворами замещения, а сталь является раствором иного типа - раствором внедрения.
В подавляющем же большинстве случаев твердых растворов не возникает, и, как говорилось выше, после застывания мы можем увидеть в микроскоп, что вещество состоит из смеси мелких кристалликов обоих веществ.
Если охладить раствор какой-либо соли в воде, то обнаружится, что температура замерзания понизилась. Нуль градусов пройден, а затвердевание не происходит. Только при температуре на несколько градусов ниже нуля в жидкости появятся кристаллики. Это кристаллики чистого льда, в твердом льде соль не растворяется.
Температура замерзания зависит от концентрации раствора. Увеличивая концентрацию раствора, мы будем уменьшать температуру кристаллизации. Самую низкую температуру замерзания имеет насыщенный раствор. Понижение температуры замерзания раствора совсем не малое: так, насыщенный раствор поваренной соли в воде замерзнет при - 21 °С. При помощи других солей можно добиться еще большего понижения температуры; хлористый кальций, например, позволяет довести температуру затвердевания раствора до -55°С.
Рассмотрим теперь, как идет процесс замерзания. После того как из раствора выпадут первые кристаллики льда, крепость раствора увеличится. Теперь относительное число чужих молекул возрастет, помехи процессу кристаллизации воды также увеличатся, и температура замерзания упадет. Если не понижать температуру далее, то кристаллизация остановится.
При дальнейшем понижении температуры кристаллики воды (растворителя) продолжают выделяться. Наконец, раствор становится насыщенным. Дальнейшее обогащение раствора растворенным веществом становится невозможным, и раствор застывает сразу, причем если рассмотреть в микроскоп замерзшую смесь, то можно увидеть, что она состоит из кристалликов льда и кристалликов соли.
Таким образом, раствор замерзает не так, как простая жидкость. Процесс замерзания растягивается на большой температурный интервал.
Что получится, если посыпать какую-нибудь обледеневшую поверхность солью? Ответ па вопрос хорошо известен дворникам: как только соль придет в соприкосновение со льдом, лед начнет таять. Чтобы явление имело место, нужно, конечно, чтобы температура замерзания насыщенного раствора соли была ниже температуры воздуха. Если это условие выполнено, то смесь лед - соль находится в чужой области состояния, а именно в области устойчивого существования раствора. Поэтому смесь льда с солью и будет превращаться в раствор, т. е. лед будет плавиться, а соль растворяться в образующейся воде. В конце концов либо весь лед растает, либо образуется раствор такой концентрации, температура замерзания которого равна температуре среды.
Площадь дворика в 100 м2 покрыта ледяной коркой в 1 см - это уже не мало льда, около 1 т. Подсчитаем, сколько соли нужно для очистки двора, если температура -3°С. Такой температурой кристаллизации (таяния) обладает раствор соли с концентрацией 45 г/л. Примерно 1 л воды соответствует 1 кг льда. Значит, для таяния 1 т льда при -3°С нужно 45 кг соли. Практически пользуются гораздо меньшими количествами, так как не добиваются полного таяния всего льда.
При смешении льда с солью лед плавится, а соль растворяется в воде. Но на плавление нужно тепло, и лед забирает его у своего окружения. Таким образом, добавление соли ко льду приводит к понижению температуры.
Мы привыкли сейчас покупать фабричное мороженое. Раньше мороженое готовили дома, и при этом роль холодильника играла смесь льда с солью.
Явление кипения растворов имеет много общего с явлением замерзания.
Наличие растворенного вещества затрудняет кристаллизацию. По тем же самым причинам растворенное вещество затрудняет и кипение. В обоих случаях чужие молекулы как бы борются за сохранение как можно более разбавленного раствора. Иными словами, чужие молекулы стабилизируют состояние основного вещества (т.е. способствуют его существованию), которое может их растворить.
Поэтому чужие молекулы мешают жидкости кристаллизоваться, а значит, понижают температуру кристаллизации. Точно так же чужие молекулы мешают жидкости кипеть, а значит, повышают ее температуру кипения.
Любопытно, что до известных пределов концентрации (для не очень крепких растворов) как понижение температуры кристаллизации раствора, так и повышение температуры кипения нисколько не зависят от свойств растворенного вещества, а определяются лишь количеством его молекул. Это интересное обстоятельство используется для определения молекулярной массы растворяемого вещества. Делается это при помощи замечательной формулы (мы не можем здесь привести ее), которая связывает изменение температуры замерзания или кипения с количеством молекул в единице объема раствора (и с теплотой плавления или кипения).
Температура кипения воды повышается раза в три меньше, чем понижается температура ее замерзания. Так, морская вода, содержащая примерно 3,5 % солей, имеет точку кипения 100,6°С,; в то время как температура ее замерзания понижается на 2°С.
Если одна жидкость кипит при более высокой температуре, чем другая, то (при той же температуре) упругость ее пара меньше. Значит,- упругость пара раствора меньше упругости пара чистого растворителя.
О различии можно судить по следующим цифрам: упругость водяного пара при 20°С равна 17,5 мм рт. ст., упругость пара насыщенного раствора поваренной соли при той же температуре - 13,2 мм рт. ст.
Пар с упругостью 15 мм рт. ст., ненасыщенный для воды, будет пересыщен для насыщенного раствора соли. В присутствии такого раствора пар начнет конденсироваться и переходить в раствор. Разумеется, забирать водяной пар из воздуха будет не только раствор соли, но и соль в порошке. Ведь первая же капелька воды, выпавшая на соль, растворит ее и создаст насыщенный раствор.
Всасывание солью водяного пара из воздуха приводит к тому, что соль становится сырой. Это хорошо знакомо хозяйкам и доставляет им огорчения. Но это явление понижения упругости пара над раствором приносит и пользу: оно используется для сушки воздуха в лабораторной практике. Воздух пропускают через хлористый кальций, который является рекордсменом по забиранию влаги из воздуха. Если у насыщенного раствора поваренной соли упругость пара 13,2 мм рт. ст., то у хлористого кальция она 5,6 мм рт. ст. До такого значения упадет упругость водяного пара при пропускании его через достаточное количество хлористого кальция (1 кг которого "вмещает" в себя примерно 1 кг воды). Это ничтожная влажность, и воздух может считаться сухим.
Одним из важнейших способов очистки жидкостей от примесей является перегонка. Жидкость кипятят и направляют пар в холодильник. При охлаждении пар опять превращается в жидкость, но эта жидкость будет чище исходной.
При помощи перегонки легко избавиться от твердых веществ, растворенных в жидкости. Молекулы таких веществ практически отсутствуют в паре. Этим способом получают дистиллированную воду - совершенно безвкусную чистую воду, лишенную минеральных примесей,
Однако, используя испарение, можно избавиться и от жидких примесей и разделить смесь, состоящую из двух или более жидкостей. При этом пользуются тем, что две жидкости, образующие смесь, кипят не одинаково.