Растворимость твёрдых веществ в воде. Растворение как физико-химический процесс

В повседневной жизни люди редко сталкиваются с чистыми веществами. Большинство предметов представляют собой смеси веществ.

Раствор - это в которой компоненты равномерно смешались. Есть несколько их видов по размеру частиц: грубодисперсные системы, молекулярные растворы и коллоидные системы, которые часто называют золи. В этой статье речь идет о молекулярных (или Растворимость веществ в воде - одно из главных условий, влияющих на образование соединений.

Растворимость веществ: что это и зачем нужно

Чтобы разобраться в этой теме, нужно знать, и растворимость веществ. Простым языком, это способность вещества соединяться с другим и образовывать однородную смесь. Если подходить с научной точки зрения, можно рассмотреть более сложное определение. Растворимость веществ - это их способность образовывать с одним или более веществами гомогенные (или гетерогенные) составы с дисперсным распределением компонентов. Существует несколько классов веществ и соединений:

• растворимые;
• малорастворимые;
• нерастворимые.

О чем говорит мера растворимости вещества

Содержание вещества в насыщенной смеси - это мера его растворимости. Как сказано выше, у всех веществ она разная. Растворимые - это те, которые могут развести более 10 г себя на 100 г воды. Вторая категория - менее 1 г при тех же условиях. Практически нерастворимые - это те, в смесь которых переходит менее 0,01 г компонента. В этом случае вещество не может передавать воде свои молекулы.

Что такое коэффициент растворимости

Коэффициент растворимости (k) - это показатель, максимальной массы вещества (г), которая может развестись в 100 г воды или другого вещества.

Растворители

В данном процессе участвуют растворитель и растворенное вещество. Первый отличается тем, что изначально он пребывает в таком же агрегатном состоянии, что и конечная смесь. Как правило, он взят в большем количестве.

Однако многие знают, что в химии вода занимает особое место. Для нее существуют отдельные правила. Раствор, в котором присутствует H 2 O называется водным. Когда говорится о них, жидкость является экстрагентом и тогда, когда она в меньшем количестве. В пример можно привести 80%-ный раствор азотной кислоты в воде. Пропорции здесь не равны Хоть доля воды меньше, чем кислоты, вещество называть 20%-ным раствором воды в азотной кислоте некорректно.

Существуют смеси, в которых отсутствует H 2 O. Они будут носить имя неводная. Подобные растворы электролита представляют собой ионные проводники. Они содержащие один или смеси экстрагентов. В их состав входят ионы и молекулы. Они используются в таких отраслях, как медицина, производство бытовой химии, косметики и в другие направления. Они могут сочетать в себе несколько нужных веществ с различной растворимостью. Компоненты многих средств, которые применяются наружно, являются гидрофобными. Иными словами, они плохо взаимодействуют с водой. В таких могут быть летучими, нелетучими и комбинированными. Органические вещества в первом случае хорошо растворяют жиры. К летучим относятся спирты, углеводороды, альдегиды и другие. Они часто входят в состав бытовой химии. Нелетучие чаще всего применяются для изготовления мазей. Это жирные масла, жидкий парафин, глицерин и прочие. Комбинированные - это смесь летучих и нелетучих, например, этанол с глицерином, глицерин с димексидом. Также они могут содержать воду.

Виды растворов по степени насыщенности

Насыщенный раствор - это смесь химических веществ, содержащая максимальную концентрацию одного вещества в растворителе при определенной температуре. Дальше оно разводиться не будет. В препарате твёрдого вещества заметно выпадение осадка, который находится в динамическом равновесии с ним. Под этим понятием подразумевается состояние, сохраняющееся во времени вследствие его протекания одновременно в двух противоположных направлениях (прямая и обратная реакции) с одинаковой скоростью.

Если вещество при постоянной температуре все еще может разлагаться, то этот раствор - ненасыщенный. Они устойчивы. Но если в них продолжать добавлять вещество, то оно будет разводиться в воде (или другой жидкости), пока не достигнет максимальной концентрации.

Еще один вид - перенасыщенный. В нем содержится больше растворенного вещества, чем может быть при постоянной температуре. Из-за того, что они находятся в неустойчивом равновесии, при физическом воздействии на них происходит кристаллизация.

Как отличить насыщенный раствор от ненасыщенного?

Это сделать достаточно просто. Если вещество - твердое, то в насыщенном растворе можно увидеть осадок. При этом экстрагент может загустевать, как, например, в насыщенном составе вода, в которую добавили сахар.
Но если изменить условия, повысить температуру, то он перестанет считаться насыщенным, так как при более высокой температуре максимальная концентрация этого вещества будет другой.

Теории взаимодействия компонентов растворов

Существует три теории относительно взаимодействия элементов в смеси: физическая, химическая и современная. Авторы первой - Сванте Август Аррениус и Вильгельм Фридрих Оствальд. Они предположили, что вследствие диффузии частицы растворителя и растворённого вещества равномерно распределились по всему объему смеси, но взаимодействия между ними нет. Химическая теория, которую выдвинул Дмитрий Иванович Менделеев, ей противоположна. Согласно ей, в результате химического взаимодействия между ними формируются неустойчивые соединения постоянного или переменного состава, которые называются сольваты.

В настоящее время используется объединенная теория Владимира Александровича Кистяковского и Ивана Алексеевича Каблукова. Она совмещает физическую и химическую. Современная теория гласит, что в растворе существуют как не взаимодействующие частицы веществ, так и продукты их взаимодействия - сольваты, существование которых доказывал Менделеев. В случае, когда экстрагент - вода, их называют гидратами. Явление, при котором образуются сольваты (гидраты) носит имя сольватация (гидратация). Она воздействует на все физико-химические процессы и меняет свойства молекул в смеси. Сольватация происходит благодаря тому, что сольватная оболочка, состоящая из тесно связанных с ней молекул экстрагента, окружает молекулу растворенного вещества.

Факторы, влияющие на растворимость веществ

Химический состав веществ. Правило "подобное притягивает подобное" распространяется и на реагенты. Схожие по физическим и химическим свойствам вещества могут взаимно растворяться быстрее. Например, неполярные соединения хорошо взаимодействуют с неполярными. Вещества с полярными молекулами или ионным строением разводятся в полярных, например, в воде. В ней разлагаются соли, щёлочи и другие компоненты, а неполярные - наоборот. Можно привести простой пример. Для приготовления насыщенного раствора сахара в воде потребуется большее количество вещества, чем в случае с солью. Как это понимать? Проще говоря, вы можете развести гораздо больше сахара в воде, чем соли.

Температура. Чтобы увеличить растворимость твердых веществ в жидкостях, нужно увеличить температуру экстрагента (работает в большинстве случаев). Можно продемонстрировать такой пример. Если положить щепотку хлорида натрия (соль) в холодную воду, то данный процесс займет много времени. Если проделать то же самое с горячей средой, то растворение будет проходить гораздо быстрее. Это объясняется тем, что вследствие повышения температуры возрастает кинетическая энергия, значительное количество которой часто тратится на разрушение связей между молекулами и ионами твёрдого вещества. Однако, когда повышается температура в случае с солями лития, магния, алюминия и щелочами, их растворимость понижается.

Давление. Этот фактор влияет только на газы. Их растворимость увеличивается при повышении давления. Ведь объём газов сокращается.

Изменение скорости растворения

Не стоит путать этот показатель с растворимостью. Ведь на изменение этих двух показателей влияют разные факторы.

Степень раздробленности растворяемого вещества. Этот фактор влияет на растворимость твердых веществ в жидкостях. В цельном (кусковом) состоянии состав разводится дольше, чем тот, который разбит на мелкие куски. Приведем пример. Цельный кусок соли будет растворяться в воде намного дольше, чем соль в виде песка.

Скорость помешивания. Как известно, этот процесс можно катализировать с помощью помешивания. Его скорость также важна, потому что чем она больше, тем быстрее растворится вещество в жидкости.

Для чего нужно знать растворимость твердых веществ в воде?

Прежде всего, подобные схемы нужны, чтобы правильно решать химические уравнения. В таблице растворимости есть заряды всех веществ. Их необходимо знать для правильной записи реагентов и составления уравнения химической реакции. Растворимость в воде показывает, может ли соль или основание диссоциировать. Водные соединения, которые проводят ток, имеют в своем составе сильные электролиты. Есть и другой тип. Те, которые плохо проводят ток, считаются слабыми электролитами. В первом случае компоненты представляют собой вещества, полностью ионизованные в воде. Тогда как слабые электролиты проявляют этот показатель лишь в небольшой степени.

Уравнения химической реакции

Есть несколько видов уравнений: молекулярный, полный ионный и краткий ионный. По сути последний вариант - сокращённая форма молекулярного. Это окончательный ответ. В полном уравнении записаны реагенты и продукты реакции. Теперь наступает очередь таблицы растворимости веществ. Для начала надо проверить, является ли реакция осуществимой, то есть выполняется ли одно из условий проведения реакции. Их всего 3: образование воды, выделение газа, выпадение осадка. Если два первых условия не соблюдаются, нужно проверить последнее. Для этого нужно посмотреть в таблицу растворимости и выяснить, есть ли в продуктах реакции нерастворимая соль или основание. Если оно есть, то это и будет осадок. Далее таблица потребуется для записи ионного уравнения. Так как все растворимые соли и основания - сильные электролиты, то они будут распадаться на катионы и анионы. Далее сокращаются несвязанные ионы, и уравнение записывается в кратком виде. Пример:

1. K 2 SO 4 +BaCl 2 =BaSO 4 ↓+2HCl,
2. 2K+2SO 4 +Ba+2Cl=BaSO 4 ↓+2K+2Cl,
3. Ba+SO4=BaSO 4 ↓.

Таким образом, таблица растворимости веществ - одно из ключевых условий решения ионных уравнений.

Подробная таблица помогает узнать, сколько компонента нужно взять для приготовления насыщенной смеси.

Таблица растворимости

Так выглядит привычная неполная таблица. Важно, что здесь указывается температура воды, так как она является одним из факторов, о которых мы уже говорили выше.

Как пользоваться таблицей растворимости веществ?

Таблица растворимости веществ в воде - один из главных помощников химика. Она показывает, как различные вещества и соединения взаимодействуют с водой. Растворимость твердых веществ в жидкости - это показатель, без которого многие химические манипуляции невозможны.

Таблица очень проста в использовании. В первой строке написаны катионы (положительно заряженные частицы), во второй - анионы (отрицательно заряженные частицы). Большую часть таблицы занимает сетка с определенными символами в каждой ячейке. Это буквы "Р", "М", "Н" и знаки "-" и "?".

• "Р" - соединение растворяется;
• "М" - мало растворяется;
• "Н" - не растворяется;
• "-" - соединения не существует;
• "?" - сведения о существовании соединения отсутствуют.

В этой таблице есть одна пустая ячейка - это вода.

Простой пример

Теперь о том, как работать с таким материалом. Допустим, нужно узнать растворима ли в воде соль - MgSo 4 (сульфат магния). Для этого необходимо найти столбик Mg 2+ и спускаться по нему до строки SO 4 2- . На их пересечении стоит буква Р, значит соединение растворимо.

Заключение

Итак, мы изучили вопрос растворимости веществ в воде и не только. Без сомнений, эти знания пригодятся при дальнейшем изучении химии. Ведь растворимость веществ играет там важную роль. Она пригодится при решении и химических уравнений, и разнообразных задач.

Если в сосуд с водой поместить кристаллы поваренной соли, сахара или перманганата калия (марганцовки), то мы можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. При этом вода, в которую были добавлены кристаллы, приобретает новые свойства: у нее появляется соленый или сладкий вкус (в случае марганцовки появляется малиновая окраска), изменяется плотность, температура замерзания и т.д. Полученные жидкости уже нельзя назвать водой, даже если они неотличимы от воды по внешнему виду (как в случае с солью и сахаром). Это – растворы .

Растворы - однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия.

Растворы не отстаиваются и сохранятся все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцевокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул. Молекулы могут опять собраться в кристаллы только тогда, когда мы выпарим воду. Таким образом, растворы – это молекулярные смеси.

По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода) , газообразными (воздух) или твёрдыми (многие сплавы металлов).
Размеры частиц в истинных растворах - менее 10 -9 м (порядка размеров молекул).

Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества . В приведенных примерах растворителем является вода. Но не всегда обязательно вода является растворителем. Например, можно получить раствор воды в серной кислоте. Здесь растворителем будет кислота. Можно приготовить и растворы кислоты в воде.

Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом.

** Существуют растворы не только жидкие, но и газовые и даже твердые. Например, воздух – раствор кислорода и еще нескольких газов в азоте. Сплавы металлов представляют собой твердые растворы металлов друг в друге. Газы, как мы уже знаем, способны растворяться в воде.

Давайте разберемся в том, как происходит растворение веществ. Для этого понаблюдаем, как растворяется добавленный в чай сахар. Если чай холодный, то сахар растворяется медленно. Наоборот, если чай горячий и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро.

Попадая в воду, молекулы сахара, находящиеся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды донорно-акцепторные (водородные) связи. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя (рис. 7-2).

Рис. 7-2. Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки). Между молекулами сахара и воды возникают водородные связи, благодаря которым молекулы сахара отрываются от поверхности кристалла. Молекулы воды, не связанные с молекулами сахара, на рисунке не показаны.

Молекулы сахара, перешедшие из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря тепловому движению. Это явление называется диффузией . Диффузия происходит медленно, поэтому около поверхности кристаллов находится избыток уже оторванных от кристалла, но еще не диффундировавших в раствор молекул сахара.

Они мешают новым молекулам воды подойти к поверхности кристалла, чтобы связаться с его молекулами водородными связями. Если раствор перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно и раствор становится одинаково сладким по всему объему.

Количество молекул, способных перейти в раствор, часто ограничено. Молекулы вещества не только покидают кристалл, но и вновь присоединяются к кристаллу из раствора. Пока кристаллов относительно немного, больше молекул переходит в раствор, чем возвращается из него – идет растворение. Но если растворитель находится в контакте с большим количеством кристаллов, то число уходящих и возвращающихся молекул становится одинаковым и для внешнего наблюдателя растворение прекращается.

Ненасыщенные, насыщенные и перенасыщенные растворы

Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 гNaCl в 100 г H 2 O, то при 20ºC растворится только 36 г соли).

Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества.

Поместив в 100 г воды при 20ºC меньше 36 г NaCl мы получим ненасыщенный раствор .

При нагревании смеси соли с водой до 100C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 20ºC, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором . Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.

Ненасыщенный раствор - раствор, содержащий меньше вещества, чем в насыщенном.

Перенасыщенный раствор - раствор, содержащий больше вещества, чем в насыщенном.

Растворение как физико-химический процесс

Растворы образуются при взаимодействии растворителя и растворённого вещества. Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества называется сольватацией (если растворителем является вода - гидратацией ).

Растворение протекает с образованием различных по форме и прочности продуктов - гидратов. При этом участвуют силы как физической, так и химической природы. Процесс растворения вследствие такого рода взаимодействий компонентов сопровождается различными тепловыми явлениями.

Энергетической характеристикой растворения является теплота образования раствора , рассматриваемая как алгебраическая сумма тепловых эффектов всех эндо- и экзотермических стадий процесса. Наиболее значительными среди них являются:

– поглощающие тепло процессы - разрушение кристаллической решётки, разрывы химических связей в молекулах;

– выделяющие тепло процессы - образование продуктов взаимодействия растворённого вещества с растворителем (гидраты) и др.

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии гидратации растворённого вещества, то растворение идёт с выделением теплоты (наблюдается разогревание). Так, растворение NaOH – экзотермический процесс: на разрушение кристаллической решётки тратится 884 кДж/моль, а при образовании гидратированных ионов Na + и OH - выделяется соответственно 422 и 510кДж/моль.

Если энергия кристаллической решётки больше энергии гидратации, то растворение протекает с поглощением теплоты (при приготовлении водного раствора NH 4 NO 3 наблюдается понижение температуры).

Растворимость

Мы говорим: "сахар растворяется в воде хорошо" или "мел плохо растворяется в воде". Но можно и количественно оценить способность того или иного вещества к растворению или, другими словами, растворимость вещества.

Растворимостью – называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.

Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым . Если растворяется менее 1 г вещества – вещество малорастворимо . Наконец, вещество считают практически нерастворимым , если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает.

Растворимость, выраженная при помощи массы вещества, которое может раствориться в 100 г воды при данной температуре, называют также коэффициентом растворимости.

В качестве примера приведем растворимость (в граммах вещества на 100 г воды при комнатной температуре) нескольких веществ: твердых, жидких и газообразных, среди которых многие имеют похожие химические формулы (таблица 7-2).

Таблица 7- 2. Растворимость некоторых веществ в воде при комнатной температуре, растворимость большинства (но не всех!) твердых веществ с увеличением температуры увеличивается, а растворимость газов, наоборот, уменьшается. Это связано прежде всего с тем, что молекулы газов при тепловом движении способны покидать раствор гораздо легче, чем молекулы твердых веществ.

**Если измерять растворимость веществ при разных температурах, то обнаружится, что одни вещества заметно меняют свою растворимость в зависимости от температуры, другие – не очень сильно (см. табл. 7-3).

Если полученные в опытах значения нанести на оси координат, то получаются так называемые кривые растворимости различных веществ (рис. 7-3). Эти кривые имеют практическое значение. По ним легко узнать, сколько вещества (например, KNO 3) выпадет в осадок при охлаждении до 20 С насыщенного раствора, приготовленного при 80 С.

В обычной неассоциированной жидкости, например в такой, как бензин, молекулы свободного скользят одна вокруг другой. В воде же они скорее катятся, чем скользят. Молекулы воды, как известно, соединены между собой водородными связями, поэтому прежде чем произойдет какое-либо смещение, нужно разорвать хотя бы одну из этих связей. Эта особенность и определяет вязкость воды.

Диэлектрической постоянной воды называется ее способность нейтрализовать притяжение, существующее между электрическими зарядами. Растворение твердых веществ в воде - сложный процесс, который обусловливается взаимодействием частиц растворенного вещества и частиц воды.

При изучении строения веществ с помощью рентгеновских лучей было установлено, что большинство твердых тел имеет кристаллическое строение, т. е. частицы вещества расположены в пространстве в определенном порядке. Частицы одних веществ расположены так, будто бы они находятся в углах крошечного куба, частицы других - в углах, центре и в середине сторон тетраэдра, призмы, пирамиды и пр. Каждая из этих форм является мельчайшей ячейкой более крупных кристаллов аналогичной формы. У одних веществ в узлах их кристаллической решетки находятся молекулы (у большинства органических соединений), у других (например, у неорганических солей) - ионы, т. е. частицы, состоящие из одного или нескольких атомов, имеющих положительные или отрицательные заряды. Силами, удерживающими ионы в определенном, ориентированном в пространстве порядке кристаллической решетки, являются силы электростатического притяжения разноименно заряженных ионов, составляющих кристаллическую решетку.

Если, например, растворить в воде хлористый натрий, то положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора будут отталкиваться друг от друга.

Это отталкивание происходит потому, что у воды высокая диэлектрическая постоянная, т. е. выше, чем у любой другой жидкости. Она уменьшает силу взаимного притяжения между противоположно заряженными ионами в 100 раз. Причину сильно нейтрализующего действия воды нужно искать в расположении ее молекул. Водородный атом в них не делит поровну свой электрон с тем атомом кислорода, к которому он прикреплен. Этот электрон всегда ближе к кислороду, чем к водороду. Поэтому водородные атомы заряжены положительно, а кислородные - отрицательно.

Когда какое-либо вещество, растворяясь, распадается на ионы, кислородные атомы притягиваются к положительным ионам, а водородные - к отрицательным. Молекулы воды, окружающие положительный ион, направляют к нему свои кислородные атомы, а молекулы, которые окружают отрицательный ион, устремляются к нему своими атомами водорода. Таким образом молекулы воды образуют как бы решетку, которая отделяет ионы друг от друга и нейтрализует их притяжение (рис. 12). Чтобы оторвать друг от друга ионы, находящиеся в кристаллической решетке, и перевести их в раствор, необходимо преодолеть силу притяжения этой решетки. При растворении солей такой силой является притяжение ионов решетки молекулами воды, характеризуемое так называемой энергией гидратации. Если при этом энергия гидратации по сравнению с энергией кристаллической решетки будет достаточно велика, то ионы будут отрываться от последней и перейдут в раствор.

Взаимосвязь между молекулами воды и ионами, оторванными от решетки, в растворе не только не ослабевает, а становится еще теснее.

Как уже отмечалось, в растворе ионы окружаются и разобщаются молекулами воды, которые, ориентируясь на них своими противоположными по заряду частями, образуют так называемую гидратную оболочку (рис. 13). Величина этой оболочки различна у разных ионов и зависит от заряда иона, его размера и, кроме того, от концентрации ионов в растворе.

В продолжение нескольких лет физико-химики изучали воду в основном как растворитель электролитов. В результате получено много сведений об электролитах, но очень мало о самой воде. Как ни странно, но только в последние годы появились работы, посвященные изучению отношения воды к веществам, которые в ней практически не растворяются.

Наблюдалось немало поразительных явлений. Например, однажды труба, по которой шел природный газ при t = 19°С, оказалась забитой, мокрым снегом с водой. Стало ясным, что дело здесь не в температуре, а в других свойствах воды. Возник ряд вопросов: почему вода замерзла при столь высокой температуре, как вода могла соединиться с веществами, которые в ней нерастворимы.

Эта тайна еще не была раскрыта, когда обнаружилось, что даже такие благородные газы, как аргон и ксенон, которые не вступают ни в какие химические реакции, могут связываться с водой, образуя некоторое подобие соединений.

Рис. 13. Разъединение ионов Na + и С1 - полярными молекулами воды, образующими вокруг них гидратную оболочку.

Интересные результаты по растворимости в воде метана были получены в Иллинойсе. Молекулы метана не образуют ионов в воде и не воспринимают водородных связей; притяжение между ними и молекулами воды очень слабое. Однако метан все же, хотя и плохо, растворяется в воде, и его диссоциированные молекулы образуют с ней соединения - гидраты, в которых несколько молекул воды присоединены к одной молекуле метана. При этой реакции высвобождается в 10 раз больше тепла, чем при растворении метана в гексане (метан растворяется в гексане лучше, чем в воде).

Факт растворения метана в воде представляет большой интерес. Ведь по объему молекула метана вдвое больше молекулы воды. Чтобы метан растворился в воде, между ее молекулами должны образоваться довольно большие «дырки». Для этого требуется значительная затрата энергии, большая чем для испарения воды (примерно 10 000 калорий на каждый моль). Откуда же появляется столько энергии? Силы притяжения между молекулами метана и воды слишком слабы, они не могут дать столько энергии. Поэтому существует другая возможность: структура поды изменяется в присутствии метана. Предположим, что молекула растворенного метана окружена оболочкой из 10-20 молекул воды. При образовании таких ассоциаций молекул выделяется теплота. В пространстве, занятом молекулой метана, исчезают силы взаимного притяжения между молекулами воды, а значит, и внутреннее давление. В таких условиях, как мы видели, вода замерзает при температуре выше нуля.

Вот почему молекулы, находящиеся в промежутке между метаном и водой, могут кристаллизоваться, что и произошло в описанном выше случае. Замороженные гидраты могут поглощаться раствором и выделяться из него. Эта теория известна как теория айсбергов. Практически, как показывают исследования, все непроводящие вещества, которые подвергались испытанию, образуют устойчивые кристаллические гидраты. В то же время у электролитов такая тенденция выражена слабо. Все это ведет к совершенно новому пониманию растворимости.

Считалось, что растворение электролитов происходит в результате действия сил притяжения. Теперь же доказано, что растворение неэлектролитов происходит не благодаря силам притяжения между этими веществами и водой, а в результате недостаточного притяжения между ними. Вещества, не распадающиеся на ионы, соединяются с водой, так как они устраняют внутреннее давление и тем самым способствуют появлению кристаллических образований.

Чтобы лучше понять образование таких гидратов, целесообразно рассмотреть их молекулярную структуру.

Доказано, что образующиеся гидраты имеют кубическую структуру (решетку) в отличие от гексагональной структуры льда. Дальнейшие работы исследователей показали что гидрат может иметь две кубические решетки: в одной из них промежутки между молекулами равны 12, в другой - 17 А. В меньшей решетке 46 молекул воды, в большей 136. Дырки молекул газа в меньшей решетке имеют 12-14 граней, а в большей - 12-16, к тому же они разнятся по своим размерам и заполняются молекулами различной величины, причем могут быть заполнены не все дырки. Такая модель с большой степенью точности объясняет действительное строение гидратов.

Роль таких гидратов в жизненных процессах трудно переоценить. Эти процессы происходят в основном в промежутках между молекулами воды и протеина. Вода при этом имеет сильную тенденцию к кристаллизации, так как в протеиновой молекуле содержится много неионных, или неполярных, групп. Всякий такой гидрат образуется при меньшей плотности, чем лед, поэтому его образование может вести к значительному разрушительному расширению.

Итак, вода - это своеобразное и сложное вещество с определенными и разнообразными химическими свойствами. Она имеет стройную и в то же время меняющуюся физическую структуру.

Развитие всей живой и в значительной части неживой природы неразрывно связано с характерными особенностями воды.

Одни вещества лучше растворяются в том или ином растворителе, другие хуже. Считается, что абсолютно нерастворимых веществ нет. Каждое вещество способно к растворению, пусть даже в некоторых случаях и в очень незначительных количествах (например, ртуть в воде, бензол в воде).

К сожалению, до настоящего времени, нет теории, с помощью которой можно было бы предсказать и вычислить растворимость любого вещества в соответствующем растворителе. Обусловлено это сложностью и многообразием взаимодействия компонентов раствора между собой и отсутствием общей теории растворов (особенно концентрированных). В связи с этим необходимые данные по растворимости веществ получают, как правило, опытным путем.

Количественно способность вещества к растворению характеризуется чаще всего растворимостью иликоэффициентом растворимости (S ).

Растворимость (S ) показывает сколько граммов вещества может максимально раствориться при данных условиях (температуре, давлении) в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора.

При необходимости коэффициент растворимости определяется и для другого количества растворителя (например, для 1000 г, 100 см 3 , 1000 см 3 и т.д.).

По растворимости все вещества в зависимости от своей природы делятся на 3 группы: 1) хорошо растворимые; 2) мало растворимые; 3) плохо растворимые или нерастворимые.

Коэффициент растворимости для веществ первой группы больше 1 г (на 100 г растворителя), для веществ второй группы лежит в интервале 0,01 – 1,0 г и для веществ третьей группы S< 0,01 г.

На растворимость веществ оказывают влияние многие факторы, главными из которых являются природа растворителя и растворяемого вещества, температура, давление, наличие в растворе других веществ (особенно электролитов).

Влияние природы веществ на растворимость

Установлено опытным путем, что в растворителе, молекулы которого полярны, лучше всего растворяются вещества, образованные ионными или ковалентными полярными связями. А в растворителе, молекулы которого неполярны, лучше растворяются вещества, образованные слабополярными или неполярными ковалентными связями. По другому эту выявленную закономерность можно сформулировать так: «Подобное растворяется в подобном».

Растворимость веществ во многом обуславливается силой и характером их взаимодействия с молекулами растворителя. Чем сильнее выражено это взаимодействие, тем больше растворимость и наоборот.

Известно, что силы, действующие между неполярными и слабополярными молекулами, невелики и неспецифичны, т.е. в количественном выражении существенно не зависят от вида вещества.

Если в неполярную жидкость В ввести однотипные неполярные молекулы А, то энергия взаимодействия частиц А и В между собой не будет значительно отличаться от энергии взаимодействия между частицами А и А или частицами В и В. Поэтому подобно тому как смешиваются любые количества одного и того же вещества, с большой вероятностью будут неограниченно смешиваться друг с другом (т.е. растворяться друг в друге) и различные неполярные жидкости.

По этой же причине и молекулярные кристаллы обычно лучше растворяются в неполярных жидкостях.

Если же энергия взаимодействия молекул А и А или В и В больше чем А и В, то одинаковые молекулы каждого компонента будут предпочтительнее связываться между собой и растворимость их друг в друге понизится (табл. 6).

Полярность любого растворителя часто характеризуют значением его диэлектрической проницаемости (ε), которая легко определяется опытным путем. Чем она больше, тем более полярным является вещество.

Таблица 6. Растворимость KI(мас%) в растворителях различной полярности

Раствор – это гомогенная система, состоящая из двух или более веществ, содержание которых можно изменять в определенных пределах без нарушения однородности.

Водные растворы состоят из воды (растворителя) и растворенного вещества. Состояние веществ в водном растворе при необходимости обозначается нижним индексом (р), например, KNO 3 в растворе – KNO 3(p) .

Растворы, которые содержат малое количество растворенного вещества, часто называют разбавленными, а растворы с высоким содержанием растворенного вещества – концентрированными. Раствор, в котором возможно дальнейшее растворение вещества, называется ненасыщенным, а раствор, в котором вещество перестает растворяться при данных условиях, – насыщенным. Последний раствор всегда находится в контакте (в гетерогенном равновесии) с нерастворившимся веществом (один кристалл или более).

В особых условиях, например при осторожном (без перемешивания) охлаждении горячего ненасыщенного раствора твердого вещества, может образоваться пересыщенный раствор. При введении кристалла вещества такой раствор разделяется на насыщенный раствор и осадок вещества.

В соответствии с химической теорией растворов Д. И. Менделеева растворение вещества в воде сопровождается, во‑первых, разрушением химических связей между молекулами (межмолекулярные связи в ковалентных веществах) или между ионами (в ионных веществах), и, таким образом, частицы вещества смешиваются с водой (в которой также разрушается часть водородных связей между молекулами). Разрыв химических связей совершается за счет тепловой энергии движения молекул воды, при этом происходит затрата энергии в форме теплоты.

Во‑вторых, попав в воду, частицы (молекулы или ионы) вещества подвергаются гидратации. В результате образуются гидраты – соединения неопределенного состава между частицами вещества и молекулами воды (внутренний состав самих частиц вещества при растворении не изменяется). Такой процесс сопровождается выделением энергии в форме теплоты за счет образования новых химических связей в гидратах.

В целом раствор либо охлаждается (если затрата теплоты превосходит ее выделение), либо нагревается (в противном случае); иногда – при равенстве затраты теплоты и ее выделения – температура раствора остается неизменной.

Многие гидраты оказываются настолько устойчивыми, что не разрушаются и при полном выпаривании раствора. Так, известны твердые кристаллогидраты солей CuSO 4 5Н 2 O, Na 2 CO 3 10Н 2 O, KAl(SO 4) 2 12Н 2 O и др.

Содержание вещества в насыщенном растворе при Т = const количественно характеризует растворимость этого вещества. Обычно растворимость выражается массой растворенного вещества, приходящейся на 100 г воды, например 65,2 г КBr/100 г Н 2 O при 20 °C. Следовательно, если 70 г твердого бромида калия ввести в 100 г воды при 20 °C, то 65,2 г соли перейдет в раствор (который будет насыщенным), а 4,8 г твердого КBr (избыток) останется на дне стакана.

Следует запомнить, что содержание растворенного вещества в насыщенном растворе равно , в ненасыщенном растворе меньше и в пересыщенном растворе больше его растворимости при данной температуре. Так, раствор, приготовленный при 20 °C из 100 г воды и сульфата натрия Na 2 SO 4 (растворимость 19,2 г/100 г Н 2 O), при содержании

15,7 г соли – ненасыщенный;

19.2 г соли – насыщенный;

2O.3 г соли – пересыщенный.

Растворимость твердых веществ (табл. 14) обычно увеличивается с ростом температуры (КBr, NaCl), и лишь для некоторых веществ (CaSO 4 , Li 2 CO 3) наблюдается обратное.

Растворимость газов при повышении температуры падает, а при повышении давления растет; например, при давлении 1 атм растворимость аммиака составляет 52,6 (20 °C) и 15,4 г/100 г Н 2 O (80 °C), а при 20 °C и 9 атм она равна 93,5 г/100 г Н 2 O.

В соответствии со значениями растворимости различают вещества:

– хорошо растворимые, масса которых в насыщенном растворе соизмерима с массой воды (например, КBr – при 20 °C растворимость 65,2 г/100 г Н 2 O; 4,6М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью более чем 0,1М;

– малорастворимые, масса которых в насыщенном растворе значительно меньше массы воды (например, CaSO 4 – при 20 °C растворимость 0,206 г/100 г Н 2 O; 0,015М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью 0,1–0,001М;

– практически нерастворимые, масса которых в насыщенном растворе пренебрежимо мала по сравнению с массой растворителя (например, AgCl – при 20 °C растворимость 0,00019 г на 100 г Н 2 O; 0,0000134М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью менее чем 0,001М.

По справочным данным составлена таблица растворимости распространенных кислот, оснований и солей (табл. 15), в которой указан тип растворимости, отмечены вещества, не известные науке (не полученные) или полностью разлагающиеся водой.

Условные обозначения, используемые в таблице:

«р» – хорошо растворимое вещество

«м» – малорастворимое вещество

«н» – практически нерастворимое вещество

«–» – вещество не получено (не существует)

» – вещество смешивается с водой неограниченно

Примечание. Данная таблица отвечает приготовлению насыщенного раствора при комнатной температуре путем внесения вещества (в соответствующем агрегатном состоянии) в воду. Следует учесть, что получение осадков малорастворимых веществ с помощью реакций ионного обмена возможно не всегда (подробнее см. 13.4).

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Твитнуть

Все темы данного раздела:

Распространенные элементы. строение атомов. Электронные оболочки. Орбитали
Химический элемент – определенный вид атомов, обозначаемый названием и символом и характеризуемый порядковым номером и относительной атомной массой. В табл. 1 перечи

В каждой орбитали может разместиться не более двух электронов.
Один электрон на орбитали называется неспаренным, два электрона – электронной парой:

Свойства элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера.
Периодически повторяющийся характер изменения состава электронной оболочки атомов элементов объясняет периодическое изменение свойств элементов при движении по периодам и группам Пе

Молекулы. Химическая связь. Строение веществ
Химические частицы, образованные из двух или нескольких атомов, называются молекулами (реальными или условными формульными единицами многоатомных веществ). Атомы в мол

Кальций
Кальций – элемент 4‑го периода и IIA‑группы Периодической системы, порядковый номер 2O. Электронная формула атома 4s2, степени окислен

Алюминий
Алюминий – элемент 3‑го периода и IIIA‑группы Периодической системы, порядковый номер 13. Электронная формула атома 3s23p1,

Марганец
Марганец – элемент 4‑го периода и VIIB‑группы Периодической системы, порядковый номер 25. Электронная формула атома 3d54s2;

Общие свойства металлов. Коррозия
Элементы с металлическими свойствами расположены вIA – VIA группах Периодической системы (табл. 7).

Водород
Водород – первый элемент Периодической системы (1‑й период, порядковый номер 1). Не имеет полной аналогии с остальными химическими элементами и не принадлежит ни к како

Хлор. Хлороводород
Хлор – элемент 3‑го периода и VII А‑группы Периодической системы, порядковый номер 17. Электронная формула атома 3s23p5, ха

Хлориды
Хлорид натрия NaCl. Бескислородная соль. Бытовое название поваренная соль. Белый, слабогигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Умеренно раствори

Гипохлориты. Хлораты
Гипохлорит кальция Са(СlO)2. Соль хлорноватистой кислоты HClO. Белый, при нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в холодной воде (обр

Бромиды. Иодиды
Бромид калия КBr. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный, плавится без разложения. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Восстановитель (более слабый, ч

Кислород
Кислород – элемент 2‑го периода и VIA‑группы Периодической системы, порядковый номер 8, относится к халькогенам (но чаще рассматривается отдельно). Электронная фо

Сера. Сероводород. Сульфиды
Сера – элемент 3‑го периода и VIA‑группы Периодической системы, порядковый номер 16, относится к халькогенам. Электронная формула атома 3s

Диоксид серы. Сульфиты
Диоксид серы SO2. Кислотный оксид. Бесцветный газ с резким запахом. Молекула имеет строение незавершенного треугольника [: S(O)2] (sр

Серная кислота. Сульфаты
Серная кислота H2SO4. Оксокислота. Бесцветная жидкость, очень вязкая (маслообразная), весьма гигроскопичная. Молек

Азот. Аммиак
Азот – элемент 2‑го периода и VA‑группы Периодической системы, порядковый номер 7. Электронная формула атома 2s22p3, характе

Оксиды азота. Азотная кислота
Монооксид азота NO. Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ. Радикал, содержит ковалентную σπ‑связь (N=O), в твердом состоянии димер N2

Нитриты. Нитраты
Нитрит калияKNO2. Оксосоль. Белый, гигроскопичный. Плавится без разложения. Устойчив в сухом воздухе. Очень хорошо растворим в воде (образуется бесцв

Углерод в свободном виде
Углерод – элемент 2‑го периода и IVA‑группы Периодической системы, порядковый номер 6. Химия углерода – это в основном химия органических соединений; неорганическ

Оксиды углерода
Монооксид углерода СО. Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ, без запаха, легче воздуха. Молекула слабополярна, содержит ковалентную тройную σππ

Карбонаты
Карбонат натрия Na2CO3. Оксосоль. Техническое название кальцинированная сода. Белый, при нагревании плавится и разлагается. Чувстви

Кремний
Кремний – элемент 3‑го периода и IVA‑группы Периодической системы, порядковый номер 14. Электронная формула атома 3s23p2. Х

Алканы. Циклоалканы
Алканы (парафины) – это соединения углерода с водородом, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарной связью (предельные углеводоро

Алкены. Алкадиены
Алкены (олефины) – это углеводороды, в молекулах которых содержатся атомы углерода, соединенные между собой двойной связью (непредельные углеводороды ряд

Спирты. Простые эфиры. Фенолы
Спирты – производные углеводородов, содержащие функциональную группу ОН (гидроксил). Спирты, в которых имеется одна группа ОН, называются одноат

Альдегиды и кетоны
Альдегиды и кетоны – это производные углеводородов, содержащие функциональную карбонильную группу СО. В альдегидах карбонильная группа связана с а

Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Жиры
Карбоновые кислоты – это производные углеводородов, содержащие функциональную группу СООН (карбоксил). Формулы и названия некоторых распространенных ка

Углеводы
Углеводы (сахара) – важнейшие природные соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полис

Нитросоединения. Амины
Очень важны в народном хозяйстве азотсодержащие органические вещества. Азот может входить в органические соединения в виде нитрогруппы NO2, аминогруппы NH2 и а

Аминокислоты. Белки
Аминокислоты – органические соединения, содержащие в своем составе две функциональные группы – кислотную СООН и аминную NH2

Скорость реакций
Количественной характеристикой быстроты течения химической реакции А + B → D + E является ее скорость, т. е. скорость взаимодействия частиц реагентов А

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагентов
если для реакции необходимо столкновение двух реагирующих молекул. Эта зависимость носит название кинетического закона действующих масс (К. Гулльберг, П. Вог

Энергетика реакций
Любая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии в форме теплоты. В исходных веществах химические связи разрываются, и на это энергия затрачивается (т. е. она при это

Обратимость реакций
Химическая реакция называется обратимой, если в данных условиях протекает не только прямая реакция (→), но также и обратная реакция т. е. из исходных веществ образуются

При воздействии на равновесную систему химическое равновесие смещается в сторону, противодействующую этому воздействию.
Рассмотрим подробнее влияние таких факторов, как температура, давление, концентрация, на смещение равновесия. 1. Температура. Повышение температуры сме

Электролитическая диссоциация
Растворение любого вещества в воде сопровождается образованием гидратов. Если при этом в растворе не происходит формульных изменений у частиц растворенного вещества, то такие вещест

Диссоциация воды. Среда растворов
Сама вода – это очень слабый электролит:

Реакции ионного обмена
В разбавленных растворах электролитов (кислот, оснований, солей) химические реакции протекают обычно при участии ионов. При этом все элементы реагентов могут сохра

Гидролиз солей
Гидролиз соли – это взаимодействие ее ионов с водой, приводящее к появлению кислотной или щелочной среды, но не сопровождающееся образованием осадка или газа (ниже

Окислители и восстановители
Окислительно‑восстановительные реакции протекают с одновременным повышением и понижением степеней окисления элементов и сопровождаются передачей электронов:

Подбор коэффициентов методом электронного баланса
Метод состоит из нескольких этапов. 1. Записывают схему реакции; находят элементы, повышающие и понижающие свои степени окисления, и выпи

Ряд напряжений металлов
В ряду напряжений металлов стрелка отвечает уменьшению восстановительной способности металлов и увеличению окислительной способности их катионов в водном растворе (кислотная среда):

Электролиз расплава и раствора
Электролизом называется окислительно‑восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через растворы или

Массовая доля растворенного вещества. Разбавление, концентрирование и смешивание растворов
Массовая доля растворенного вещества В (ω в) – это отношение массы вещества В (т в) к массе раствора (m (р)

Объемное отношение газов
Для химической реакции a A + b B = c C + d D выполняется соотношение

Масса (объем, количество вещества) продукта по реагенту в избытке или с примесями
Избыток и недостаток реагентов. Количества, массы и объемы (для газов) реагентов не всегда берутся стехиометрическими, т. е. в соответствии с уравнениями реакции. Ч

Нахождение молекулярной формулы органического соединения
При выведении формул веществ, особенно в органической химии, часто используют относительную плотность газа. Относительная плотность газа X – отношение абсолютной пло