1) ПРИРОДА СМЕШИВАЕМЫХ ВЕЩЕСТВ. Мы уже видели, что в веществах с полярными молекулами (особенно с водородными связями) и в ионных веществах существует сильное взаимное притяжение частиц. Поэтому такие вещества не будут легко дробиться (смешиваться с другими), если в растворе не будет сильного притяжения между частицами разных веществ, т.е. большая величина ΔH 1 должна быть полностью или почти полностью скомпенсирована отрицательной величиной ΔH 2 . Отсюда следует, что вещества с ионной связью или с полярными молекулами должны гораздо лучше растворяться в полярных или ионных растворителях, чем в растворителях с неполярными молекулами. Соответственно, вещества с неполярными молекулами лучше растворяются в неполярных растворителях и хуже - в полярных, а металлы - в металлах. Это правило сформулировано еще алхимиками: подобное растворяется в подобном. Не следует путать полярные связи и полярные молекулы. Связь C-Cl полярна, но в молекуле CCl 4 эти связи расположены симметрично и их дипольные моменты при сложении дают нуль, поэтому молекула в целом неполярна. Молекула воды полярна только потому, что она угловая. Если бы она была линейной, как СО 2 , она была бы неполярна, Ткип. была бы намного ниже.
Таким образом, если на одежде жирное пятно, его лучше смывать не водой, а бензином, CCl 4 или другим неполярным растворителем, а если пятно от соли или сахара - то лучше водой, а не бензином. Точно так же в металлургии: металлы в жидком состоянии обычно хорошо растворяют друг друга и плохо растворяют вещества с ионной связью (собственные оксиды, фосфаты, силикаты, фториды), которые образуют отдельную жидкую фазу - шлак.
2) ТЕМПЕРАТУРА. Здесь, как и в любых других равновесиях, действует принцип Ле Шателье. При нагревании растворимость возрастает, если ΔHраств > 0 (и тем сильнее, чем больше ΔH), и убывает, если ΔHраств < 0. Для твердых веществ более характерно первое, а для газов - второе, хотя бывает и наоборот. Это особенно наглядно в случае солей, образующих кристаллогидраты. При растворении кристаллогидрата в воде не может быть сильной гидратации, поскольку вещество уже гидратировано. Поэтому преобладает первое слагаемое, и ΔHраств > 0. Если мы берем ту же соль в безводном виде, но знаем, что она способна давать кристаллогидрат, то можно ожидать, что у нее преобладает второе слагаемое, и ΔHраств < 0. Поэтому графики зависимости растворимости от температуры у кристаллогидрата и безводной соли часто имеют противоположный наклон.
Таким образом, чаще при растворении твердых или жидких веществ в жидкостях растворимость возрастает с повышением температуры, а для газов – убывает.
3) ДАВЛЕНИЕ. Как уже обсуждалось, давление влияет в основном на процессы с участием газов.
Масса газа, растворяющегося при постоянной температуре в данном объеме жидкости, прямо пропорциональна парциальному давлению газа.
Это закон Генри . Он может быть выражен уравнением:
ω В = k В · p B
где ω В – массовая доля газа в насыщенном растворе, р В – парциальное давление газа над раствором, k В – коэффициент пропорциональности, называемый константой Генри , характеризующий растворимость данного газа в данном растворителе.
Он справедлив только для разбавленных растворов, при не очень высоких давлениях, и при условии, что при растворении нет ни диссоциации, ни ассоциации (иначе изменится уравнение реакции). Например, для HСl в воде он неприменим, а для O 2 , N 2 , NO - применим. По уравнению состояния газа его объем обратно пропорционален давлению. Поэтому объем газа, способного раствориться в данном количестве растворителя, по закону Генри не зависит от давления. Можно сказать: в 1 л воды при 20°С растворяется 31 мл кислорода, не указывая давление. Если повысить давление, то количество молекул кислорода в растворе возрастет, но объем растворенного газа будет тот же.
Зависимость растворимости газов от давления видел всякий, кто открывал бутылку лимонада, пива или шампанского. Внутри бутылки повышенное давление, и углекислый газ находится в растворе. При открывании давление падает, газ смешивается с воздухом, и парциальное давление CO 2 падает еще сильнее. Раствор становится пересыщенным, и из него выделяются пузырьки газа.
4) ПРИСУТСТВИЕ ТРЕТЬЕГО ВЕЩЕСТВА. Его влияние может быть разнообразно. Важнейшие случаи:
а) это вещество сильно сольватируется, связывает много молекул растворителя и этим уменьшает растворимость; пример: спирт по отношению к растворам солей;
б) это вещество связывает молекулы или ионы растворяемого вещества и этим повышает растворимость; пример: аммиак, связывающий ионы меди и повышающий растворимость Cu(OH) 2 ;
в) это вещество дает ионы, одноименные с ионами растворяемого вещества, и тем смещает равновесие растворения влево; пример: в насыщенном растворе CaSO 4 существует равновесие CaSO 4 (тв) = Ca 2+ (р-р) + SO 4 2- (р-р). Добавляя крепкий раствор хлорида кальция, мы увеличиваем концентрацию ионов кальция, и часть сульфата выпадает.
При добавлении HСl(г) к насыщенному раствору NaСl действуют причины (а) и (в).
Природа газа. При обычных условиях один объём, например, воды может растворить 0,02 объёма водорода, 0,05 объёмов кислорода, 400 объёмов хлористого водорода или 700 объёмов аммиака. В жидкостях лучше растворяется тот газ, который имеет более высокую температуру кипения.
Природа растворителя. Подавляющее большинство газов, молекулы которых неполярны (Н 2 , О 2 , N 2 и др.), растворяется в мало полярных растворителях (например, в органических) лучше, чем в воде.
Температура. При нагревании растворимость газов в жидкостях, как правило, уменьшается. Кипячением жидкостей обычно удаётся освободить их от растворённых газов (т. е. осуществить дегазацию). С ростом температуры уменьшается растворимость в жидкости тех газов, для которых процесс растворения сопровождается выделением теплоты. Растворение газов в органических жидкостях нередко сопровождается поглощением теплоты; в подобных случаях с ростом температуры растворимость газа увеличивается.
Давление. Зависимость растворимости газов от давления выражает закон растворимости газов (Генри, 1803): растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его парциальному давлению:
где р В – парциальное давление газа Внад поверхностью его раствора, Па;
К Г – константа пропорциональности (константа Генри) , Па;
х В –молярная доля растворённого газа.
Понижение парциального давления газа ведёт к уменьшению его растворимости. Пример – обычная газированная вода, представляющая собой приготовленный под повышенным давлением углекислого газа его насыщенный водный раствор: при соприкосновении её с воздухом (в котором парциальное давление СО 2 составляет всего 0,2 мм рт. ст.) растворённый углекислый газ начинает бурно выделяться.
Закон растворимости газов верен лишь для достаточно разбавленных растворов, при сравнительно невысоких давлениях и отсутствии химического взаимодействия молекул растворяемого газа с растворителем (или друг с другом).
Растворимость жидкостей в жидкостях
Неограниченная взаимная растворимость, или смешиваемость
(толуол – бензол, этиловый спирт – вода).
Ограниченная взаимная растворимость (вода – диэтиловый эфир,
вода – бензин);
Практически полная нерастворимость (ртуть – вода);
Если жидкости растворяются друг в друге ограниченно, то происходит образование двух жидких фаз, причём фаза с большей плотностью (насыщенный раствор бензина в воде) будет находиться в нижнем слое, а фаза с меньшей плотностью (насыщенный раствор воды в бензине) – в верхнем слое. При нагреваниирастворимость жидкостей в жидкостях чаще всего возрастает и может наступить момент (при критической температуре растворения ), когда граница раздела фаз исчезнет, и образуется одна жидкая фаза (т. е. обе жидкости смеши-ваются в любых пропорциях).
Взаимное растворение жидкостей обычно не сопровождается значительным изменением объёма, и поэтому мало зависит от давления, заметно возрастая лишь при очень высоких давлениях (порядка тысяч атмосфер или 10 8 Па).
Растворимость твёрдых веществ в жидкостях
Существует условное деление веществ по их растворимости в конкретном растворителе при определённой температуре на практически нерастворимые (меньше 0,1 г в 100 г растворителя, или меньше 0,001 моль/л), малорастворимые (от 0,1 до 1 г в 100 г растворителя, или 0,001-0,1 моль/л) и хорошо растворимые вещества (более 1 г в 100 г растворителя, или более 0,1 моль/л) (см. приложение 2). При повышении температуры растворимость твёрдых веществ в жидкостях, как правило, увеличивается.
При растворении твёрдых веществ в воде объём системы изменяется незначительно, поэтому их растворимость практически не зависит от давления.
Идеальный раствор – раствор, образующийся как простое «физическое» смешение компонентов при отсутствии их химических взаимодействий. Образование такого раствора не сопровождается тепловым эффектом и изменением объёма (∆V = 0, ∆Н = 0). Хотя растворы не обладают свойствами идеальных, поведение многих из них достаточно удовлетворительно описывается при помощи этой модели.
6.6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ РАСТВОРОВ:
ЗАКОН РАУЛЯ
Давление пара над раствором. При данной температуре давление насыщенного пара над каждой жидкостью – величина постоянная. При растворении в жидкости какого-либо нелетучего вещества давление насыщенного пара этой жидкости понижается. Таким образом, давление насыщенного пара растворителя над раствором нелетучего вещества всегда ниже, чем над чистым (индивидуальным) растворителем при той же температуре. Разность между этими величинами называют понижением давления пара растворителя над раствором (или понижением давления пара раствора). Отношение величины этого понижения к давлению насыщенного пара растворителя над чистым растворителем называется относительным понижением давления пара растворителя над раствором:
где р 0 – давление насыщенного пара растворителя над чистым растворителем;
р – давление насыщенного пара растворителя над раствором.
Французский физик Рауль в 1887 установил закон, связывающий понижение давления пара растворителя над разбавленными растворами неэлектролитов с концентрацией: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворённого вещества. Математическое выражение закона Рауля:
где х В – молярная доля растворённого вещества В.
Явление понижения давления насыщенного пара растворителя над раствором вытекает из принципа Ле Шателье: если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне путём изменения какого-либо параметра, то равновесие будет сдвигаться в направлении, способствующем восстановлению равновесия системы.
Представим себе равновесие между жидкостью, например водой, и её паром. Это равновесие, которому отвечает определённое давление насыщенного пара, можно выразить уравнением
(Н 2 О) жидк = (Н 2 О) пар.
Если теперь растворить в воде некоторое количество какого-либо вещества, то концентрация молекул воды в жидкости понизится и пойдёт процесс, увеличивающий её, – конденсация пара. Новое равновесие установится при более низком давлении насыщенного пара.
Замерзание и кипение растворов. Чистые (индивидуальные) вещества характеризуются строго определёнными температурами переходов из одного агрегатного состояния в другое (температура кипения t кип, температура плавления t плав или кристаллизации). При нормальном атмосферном давлении (101,325 кПа) t кип и t плав воды равны соответственно 0 и 100 °С.
Присутствие растворённого вещества повышает температуру кипения и понижает температуру замерзания растворителя, и тем сильнее, чем концентрированнее раствор. В большинстве случаёв из раствора кристаллизуется (при замерзании) или выкипает (при кипении) только растворитель, вследствие чего концентрация раствора в процессе замерзания или кипения возрастает. Это, в свою очередь, приводит к ещё большему повышению температуры кипения и снижению температуры замерзания. Таким образом, раствор кристаллизуется и кипит не при определённой температуре, а при некотором температурном интервале. Температуру начала кристаллизации и начала кипения данного раствора называют его температурой замерзания и температурой кипения.
Разность между температурами кипения раствора и чистого растворителя называют повышением температуры кипения раствора (∆t кип). Разность между температурами замерзания чистого растворителя и раствора называют понижением температуры замерзания раствора (∆t зам). Обозначая – температуры замерзания и кипения чистого растворителя, а – температуры кристаллизации и кипения раствора, имеем:
Всякая жидкость начинает кипеть при той температуре, при которой давление её насыщенного пара достигает величины внешнего давления. Например, вода под давлением 101,325 кПа кипит при 100 °С потому, что при этой температуре давление водяного пара как раз равно 101,325 кПа. Если же растворить в воде какое-нибудь нелетучее вещество, то давление её пара понизится. Чтобы довести давление пара полученного раствора до 101,325 кПа, нужно нагреть раствор выше 100 °С. Поэтому температура кипения раствора всегда выше температуры кипения чистого растворителя.
Кристаллизация же связана с выделением количества теплоты, равного теплоте плавления, и для чистых жидкостей протекает при постоянной температуре, причём температура кристаллизации равна температуре плавления Т пл.Последняя определяется из уравнения Клапейрона-Клаузиуса:
где р – давление;
v ж и v тв – удельный объём жидкой и твёрдой фазы соответственно;
L пл –удельная теплота плавления (фазового перехода).
Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания растворов соответствуют принципу Ле Шателье. Пусть имеется равновесие между жидкостью и твёрдой фазой, например, равновесие жидкая вода – лёд при 0 °С. Его можно выразить уравнением
(Н 2 О) твёрд (Н 2 О) жидк.
Если растворить в воде некоторое количество какого-либо вещества, то концентрация молекул воды в жидкости понизится и пойдет процесс, увеличивающий её, – плавление льда . Для установления нового равновесия необходимо понизить температуру.
Ф. Рауль в 1882-1888 гг. установил, что для разбавленных растворов неэлектролитов повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания пропорциональны концентрации раствора:
где с т – моляльная концентрация (моляльность);
Е и К – эбулиоскопическая и криоскопическая постоянные,
Зависящие только от природы растворителя, но не от природы
растворённого вещества.
Для воды криоскопическая постоянная Кравна 1,85 эбулиоско-пическая постоянная Е равна 0,52. Для бензола С 6 Н 6 К = 5,1 , Е= 2,57; для уксусной кислоты СН 3 СООН К = 3,9 , Е = 3,07.
На измерениях температур кипения и замерзания растворов основаны эбулиоскопический и криоскопический методы определения молекулярных масс веществ.
Закон Рауля относится к бесконечно разбавленным идеальным растворам, применение его к реальным растворам ограничено тем в большей степени, чем выше их концентрация.
6.7. ОСМОС
Диффузия. Раствор представляет собой гомогенную (однородную) систему. Частицы растворённого вещества и растворителя находятся в беспорядочном тепловом движении и равномерно распределяются по всему объёму раствора. Если поместить в цилиндр концентрированный раствор какого-либо вещества, например сахара, а поверх него осторожно налить слой более разбавленного раствора сахара, то вначале сахар и вода будут распределены в объёме раствора неравномерно. Однако через некоторое время молекулы сахара и воды вновь равномерно распределятся по всему объёму жидкости. Это происходит потому, что молекулы сахара, беспорядочно двигаясь, проникают как из концентрированного раствора в разбавленный раствор, так и в обратном направлении; но при этом в течениелюбого промежутка времени из более концентрированного раствора в менее концентрированный переходит больше молекул сахара, чем из разбавленного раствора в концентрированный. Точно так же молекулы воды движутся в различных направлениях, но при этом из разбавленного раствора, более богатого водой, в концентрированный раствор переходит больше молекул воды, чем за то же время переносится в обратном направлении. Таким образом, возникает направленное перемещение сахара из концентрированного раствора в разбавленный, а воды – из разбавленного раствора в концентрированный. Каждое вещество переносится при этом туда, где его концентрация меньше. Такой самопроизвольный процесс перемещения вещества, приводящий к выравниванию его концентрации называется диффузией .
В ходе диффузии некоторая первоначальная упорядоченность в распределении веществ (высокая концентрация вещества в одной части системы и низкая – в другой) сменяется полной беспорядочностью их распределения.
Диффузию можно наблюдать, если налить в стеклянный цилиндр какой-либо окрашенный раствор, например раствор КМnО 4 , а сверху осторожно, чтобы не вызвать перемешивания, добавить воды. Вначале будет заметна резкая граница, но постепенно она будет размываться; через некоторое время растворённое вещество равномерно распределится по всему объёму раствора и вся жидкость примет один и тот же цвет.
В рассмотренном примере частицы растворителя и растворённого вещества диффундируют в противоположных направлениях. Такой случай называется встречной или двухсторонней диффузией . Иначе будет обстоять дело, если между двумя растворами поместить полупроницаемую перегородку, через которую растворитель может проходить, а растворённое вещество – нет. Например, если пропитать глиняный пористый цилиндр раствором сульфата меди, приготовленного из медного купороса, а затем погрузить его в раствор гексацианоферрата(II) калия, то в порах цилиндра осядет гексацианоферрат меди:
2CuSO 4 + K 4 = Cu 2 ↓ + K 2 SO 4 .
Обработанный таким образом глиняный цилиндр обладает свойствами полупроницаемой перегородки; через его стенки могут проходить молекулы воды, но для частиц растворённого вещества они непроницаемы.
Если в такой цилиндр налить раствор какого-либо вещества, например сахара, и погрузить цилиндр в воду, то выравнивание концентраций будет происходить только вследствие перемещения молекул воды. Последние в большем числе диффундируют в раствор, чем обратно, поэтому объём раствора будет постепенно увеличиваться, а концентрация сахара уменьшаться. Такая односторонняя диффузия через полупроницаемую перегородку называется осмосом .
Роль осмоса в жизни животных и растений. Оболочки клеток легко проницаемы для воды, но почти непроницаемы для веществ, растворённых во внутриклеточной жидкости. Проникая в клетки, вода создаёт в них избыточное давление, которое слегка растягивает оболочки клеток и поддерживает их в напряжённом состоянии, поэтому такие органы растения, как травянистые стебли, листья, лепестки цветов, обладают упругостью. Если срезать растение, то вследствие испарения воды объём внутриклеточной жидкости уменьшается, оболочки клеток опадают, становятся дряблыми – растение вянет. Если начавшее вянуть растение поставить в воду, начинается осмос , оболочки клеток снова напрягаются и растение принимает прежний вид.
Осмос является одной из причин, обусловливающих поднятие воды по стеблю растения, питание клеток и многие другие явления.
Если поместить эритроциты (красные клетки крови) в водопроводную воду, они лопнут, так как концентрация солей внутри эритроцитов значительна по сравнению с водой, где их практически нет. Вследствие осмоса вода войдёт внутрь клеток и разорвёт их. Поэтому лекарственные препараты для внутривенного введения готовят не на чистой воде, а на специальном (физиологическом) солевом растворе NaCl .
Осмотическое давление (p) – внутреннее давление растворённого вещества, численно равное тому внешнему давлению, которое нужно приложить, чтобы прекратить осмос; оно зависит оттемпературы и концентрации, но не зависит ни от природы растворённого вещества, ни от природы растворителя. Эту зависимость Вант Гофф (1886) уподобил поведению идеального газа:
p = сRТ,
где p – осмотическое давление раствора, кПа;
с –молярная концентрация раствора (молярность), моль/л;
R – молярная газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль∙К);
Т – абсолютная термодинамическая температура раствора.
Уравнение, описывающее закон Вант Гоффа, позволяет по величине осмотического давления раствора определять молярную массу (а значит, и относительную молекулярную массу) растворённого вещества:
где т –масса растворённого вещества, кг;
V –объём раствора, л;
М – молярная масса, кг/моль.
РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
ТЕОРИЯ АРРЕНИУСА
Растворы кислот, солей и оснований обладают электропроводностью, и их поведение отклоняется от законов разбавленных растворов Рауля и Вант Гоффа .
Теория ионизации, или электролитической диссоциации (Аррениус , 1887): «Молекулы кислот, оснований и солей в водном растворе частичнораспадаются на самостоятельные ионы. Чем больше таких ионов, тем больше электропроводность раствора. Но по мере распада молекул на ионы растёт и общее число частиц в растворе, так как при этом из одной частицы получаются две (или более) частиц. Следовательно, закон разбавленных растворов оказывается правильным и для водных растворов кислот, оснований и солей, если учитывать как самостоятельные частицы не только молекулы, но и возникающие при их распаде ионы».
Будучи сторонником «физической» теории растворов, Аррениус не учитывал взаимодействия растворённого вещества с растворителем и считал, что молекулы распадаются на свободные ионы. Изолированное рассмотрение процесса ионизации не давало возможности для его правильного понимания.
ТЕОРИЯ КАБЛУКОВА
И.А.Каблуков (1891) соединил представления С .Аррениуса и химическую теорию растворов Д.И.Менделеева : «По-нашему, вода, разлагая молекулы растворённого тела, входит с ионами в непрочные соединения, находящиеся в состоянии диссоциации; по мнению же Аррениуса, ионы свободно двигаются подобно тем отдельным атомам, которые происходят при диссоциации молекул галоидов при высокой температуре». С точки зрения Каблукова , в водных растворах содержатся не свободные, а гидратированные ионы, причём именно гидратация и является основной причиной ионизации молекул.
Положительно заряженные ионы называют катионами , отрицательно заряженные – анионами .
Процесс распада вещества на отдельные ионы. Около каждого из ионов, растворяемого в воде ионного вещества, например NаСl, отрицательный полюс диполя воды будет притягиваться к положительному иону Nа + , а положительный полюс отталкиваться и притягиваться к отрицательному иону Сl – . В результате около обоих ионов соберётся ряд притянутых ими диполярных молекул воды. Силы притяжения между ионами ослабевают настолько, что энергия взаимодействия с молекулами воды (гидратации) оказывается достаточной для того, чтобы отделить ионы друг от друга.
В растворителях менее полярных, чем вода, ориентация диполей около ионов происходит значительно меньше. Соответственно уменьшается и ослабление сил притяжения между ионами, из-за чего энергия гидратации может оказаться недостаточной для отделения их друг от друга. Поэтому распад молекулы на ионы обычно не наблюдается в таких малополярных растворителях, как диэтиловый эфир, бензол и т. п., и лишь сравнительно слабо происходит в растворителях промежуточной полярности, например в этиловом спирте. Ослабление сил притяжения между поляризованными атомами зависит от диэлектрической проницаемости (ε) растворителя , так как последняя входит в полное выражение основного закона электростатики – закона Кулона:
где F – сила взаимодействия зарядов q 1 и q 2 ;
r – расстояние между зарядами;
ε – диэлектрическая проницаемость растворителя.
Для воды при обычных условиях (20 0 C) ε = 81, поэтому в воде силы притяжения между ионами в 81 раз меньше, чем в кристалле (где для окружающего частицы пространства ε = 1). Значения ε для этилового спирта, диэтилового эфира и бензола соответственно равны 26,8 , 4 и 2.
Распад в воде на ионы наблюдается не только для ионных веществ, но и для веществ, молекулы которых в свободном состоянии являются полярными. Пример – HCl. Предварительная стадия распада – переход полярной структуры в ионную, происходящий под воздействием диполей воды. Притянувшиеся диполи воды к концам полярной молекулы обусловливают расхождение её полюсов, которое может закончиться тем, что молекула приобретёт ионную структуру.
У веществ с ионной и полярными связями распад на ионы идёт прежде всего по ионным связям, а затем по тем из полярных, которые ионогенны (т. е. способны достаточно легко переходить в ионные). По малополярным и неполярным ковалентным связям распад на ионы, как правило, не происходит.
В повседневной жизни люди редко сталкиваются с 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:
- K 2 SO 4 +BaCl 2 =BaSO 4 ↓+2HCl,
- 2K+2SO 4 +Ba+2Cl=BaSO 4 ↓+2K+2Cl,
- 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.
Растворимость зависит от природы растворенного вещества и растворителя, температуры и давления.
1)Природа растворенного вещества.
Рис.8. Природа растворенного вещества.
Кристаллические вещества подразделяются на:
P - хорошо растворимые (более 1,0 г на 100 г воды);
M - малорастворимые (0,1 г - 1,0 г на 100 г воды);
Н - нерастворимые (менее 0,1 г на 100 г воды).
Таблица 1.
Таблица растворимости кислот, оснований и солей в воде
(в граммах на 100г воды при 20С)
| H + | NH 4 + | K + | Na + | Ag + | Ba 2+ | Ca 2+ | Sr 2+ | Mg 2+ | Zn 2+ | Cu 2+ | Hg 2+ | Pb 2+ | Fe 2+ | Sn 2+ | Mn 2+ | Bi 3+ | Fe 3+ | Al 3+ | |
| OH - | Р | Р | Р | - | P | М | М | Н | Н | Н | - | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | |
| Cl - | Р | Р | Р | Р | Н | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Н | Р | Р | Р | - | Р | Р |
| Br - | Р | Р | Р | Р | Н | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Н | Р | Р | Р | - | Р | Р |
| I - | Р | Р | Р | Р | Н | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Н | Р | Р | Р | - | Р | Р |
| NO 3 - | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | - | Р | Р | Р | Р |
| S 2- | Р | Р | Р | Р | Н | Р | М | Р | Р | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | - | - |
| SO 3 2- | Р | Р | Р | Р | М | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | - | Н | Н | - | - |
| SO 4 2- | Р | Р | Р | Р | М | Н | М | Н | Р | Р | Р | Р | Н | Р | Р | Р | - | Р | Р |
| CO 3 2- | Р | Р | Р | Р | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | - | Н | Н | - | - |
| PO 4 3- | Р | Р | Р | Р | Н | Н | Н | Н | М | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | Н | М | Н |
| SiO 3 2- | Н | - | Р | Р | - | Н | Н | Н | Н | Н | Н | - | Н | Н | - | Н | - | Н | Н |
| СH 3 COO - | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | Р | - | Р | - | Р | М |
2) Природа растворителя. При образовании раствора связи между частицами каждого из компонентов заменяются связями между частицами разных компонентов. Чтобы новые связи могли образоваться, компоненты раствора должны иметь однотипные связи, т.е. быть одной природы. Поэтому ионные вещества растворяются в полярных растворителях и плохо в неполярных, а
молекулярные вещества - наоборот.
Вода - уникальный, наиболее распространенный и доступный растворитель.
Рис. 9. Зависимость растворимости
веществ от природы растворимости.
Водные растворы неорганических (соли, кислоты, основания) и органических (аминокислоты, азотистые основания, нуклеиновые кислоты) веществ, низко- и высокомолекулярных соединений, электролитов и неэлектролитов, составляют основу важнейших биологических жидкостей, в которых протекают все физико - химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма. Например, в медицине используют искусственные аналоги биологических жидкостей – коллоидные и солевые кровезаменяющие растворы.
Растворы веществ с молярной массой меньше 5000 г/моль называются растворами низкомолекулярных соединений (НМС), а растворы веществ с молярной массой больше 5000 г/моль – растворами высокомолекулярных соединений (ВМС).
Растворы низкомолекулярных соединений (электролитов и неэлектролитов) называются истинными в отличие от коллоидных растворов. Истинные растворы характеризуются гомогенностью состава и отсутствием поверхности раздела между растворенным веществом и растворителем. Размер растворенных частиц (ионов и молекул) меньше 10 -9 м.
Большинство ВМС – полимеры, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа повторяющихся группировок или мономерных звеньев, соединенных между собой химическими связями. Растворы ВМС называются растворами полиэлектролитов. К полиэлектролитам относятся поликислоты (гепарин, полиадениловая кислота, полиаспарагиновая кислота и др.), полиоснования (полилизин), полиамфолиты (белки, нуклеиновые кислоты).
Свойства растворов ВМС существенно отличаются от свойств растворов НМС.
3)Влияние температуры. Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость уменьшается (например, Ca(OH)2 в воде) и наоборот. Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании. Практически все газы растворяются с выделением тепла. Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением увеличивается.
Рис. 10. График зависимости
растворимости газов от температуры.
4) Влияние давления . С повышением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается, а с понижением уменьшается.
Рис.11. График зависимости
растворимости газа от давления
Способность вещества растворяться в воде называют растворимостью. По растворимости вещества условно делят на хорошо растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые (схема 3).
Схема 3. Классификация веществ по растворимости в воде
Если в растворе в результате химической реакции образуется вещество малорастворимое или практически нерастворимое в воде, то оно выпадает в виде осадка — раствор теряет прозрачность, становится мутным.
Растворимость некоторых неорганических веществ в воде приведена в таблице растворимости кислот, солей и гидроксидов (см. форзац 2).
Пределы растворимости веществ
Подавляющее большинство веществ ограничено растворимы в разных растворителях. Количественно их растворимость выражают
числом, которое показывает наибольшую массу вещества, способную раствориться в 100 г растворителя при определенных условиях. Эту величину называют коэффициентом растворимости, или просто растворимостью. Например, в 100 г воды при 20 °С можно растворить не более 32 г KNO 3 , 36 г NaCl, 0,25 г CaSO 4 и только 0,007 г CaCO 3 . Эти данные можно найти в справочниках.
Обратите внимание: кальций карбонат, который считается практически нерастворимым, на самом деле в незначительном количестве переходит в раствор. Абсолютно нерастворимых веществ не существует.
Некоторые жидкости, например этиловый спирт, глицерин, ацетон, сульфатная, нитратная и уксусная кислоты, неограниченно растворимы в воде — их можно смешивать с водой в любых соотношениях (рис. 6.1). Бензин, керосин, масло, хлороформ и многие другие жидкости растворимы в воде незначительно, поэтому их считают практически нерастворимыми. Если такую жидкость, например растительное масло, вылить в воду и взболтать (рис. 6.2, а), то через некоторое время образуются два отдельных слоя — верхний (масло) и нижний (вода) (рис. 6.2, б). О таких жидкостях говорят, что они не смешиваются.
Газы также сильно отличаются по растворимости. Наиболее растворимы в воде гидроген хлорид HCl и аммиак NH 3 . При температуре 0 °С и атмосферном давлении в 1 л воды можно растворить 500 л гидроген хлорида и 1200 л аммиака! Растворимость других газов в воде значительно ниже. Так, при тех же условиях в 1 л воды растворяется лишь 1,7 л углекислого газа, 50 мл кислорода, 23 мл азота и 21,5 мл водорода. Наименее растворимым газом является гелий — 9,7 мл в 1 л воды.
Зависимость растворимости веществ от температуры
Растворимость веществ зависит от температуры. У большинства твердых веществ с повышением температуры она заметно увеличивается. Поваренная соль почти одинаково растворяется в холодной и горячей воде, а известь и гипс лучше растворимы в холодной воде.
При повышении температуры растворимость:
Твердых и жидких веществ увеличивается;
Газообразных веществ уменьшается.
Экспериментально установлено, что при температуре 0 °С в 100 г воды может раствориться не более 13 г калийной селитры KNO 3 , при 40 °С — 64 г, а при 100 °С — 244 г. Зависимость растворимости от температуры отображают на кривых растворимости (рис. 6.3).
Растворимость газообразных веществ, наоборот, с повышением температуры уменьшается (рис. 6.4). Если холодную водопроводную воду нагревать, не доводя до кипения, то на дне и стенках сосуда образуются пузырьки воздуха, который был растворен в воде и начал из нее выделяться.
Рис. 6.3. Зависимость растворимости некоторых твердых веществ от температуры: а — у большинства твердых веществ растворимость увеличивается; б — у некоторых — зависимость сложная
Рис. 6.4. Зависимость растворимости некоторых газов от температуры
Зависимость растворимости веществ от давления В отличие от жидкостей и твердых веществ, растворимость газов зависит от давления: газы значительно лучше растворяются при повышении давления. Скорее всего, вам приходилось открывать бутылку с газированной водой. В процессе приготовления газированных
напитков воду насыщают углекислым газом при повышенном давлении, а бутылку герметично закрывают. При открытии бутылки давление в ней понижается до атмосферного, растворимость углекислого газа резко уменьшается и избыточный углекислый газ начинает бурно выделяться.
При повышении давления растворимость:
Твердых и жидких веществ практически не меняется;
Газообразных веществ увеличивается.
Еще алхимики сформулировали один из главных принципов, определяющих растворимость веществ: подобное растворяется в подобном. Основываясь на этом принципе, можно объяснить, почему некоторые вещества растворяются в одном растворителе и не растворяются в другом. Веществ, которые растворялись бы абсолютно во всех растворителях, не существует. Так, полярные вещества хорошо растворяются в полярных растворителях (вода, этиловый спирт и др.), хуже растворяются в малополярных (ацетон и др.) и почти не растворяются в неполярных (бензол, петролейный эфир и др.). Например, сахар хорошо растворяется в воде и вообще не растворяется в бензоле. Наоборот, неполярные вещества хорошо растворяются в неполярных растворителях и плохо — в полярных. Например, сера нерастворима (и даже не смачивается) в воде, но хорошо растворяется в бензоле.
Во время азиатского похода весной 326 г. до н. э. войско Александра Македонского дошло до берегов реки Инд. Но, попав на территорию Индии, солдаты начали болеть кишечными инфекциями. Однако было замечено, что военачальники болели реже, чем солдаты, хотя в походах все жили в одинаковых условиях. Только через 2000 лет смогли объяснить этот факт: рядовые воины пили из оловянных чаш, а у начальников были серебряные. А серебро, хотя и в мизерном количестве, растворяется в воде, придавая ей бактерицидные свойства (в такой воде погибают бактерии). С XIX века до открытия антибиотиков такую воду использовали для промывания ран.
Ключевая идея
Некоторые вещества неограниченно растворяются в воде, но у большинства веществ растворимость ограничена. По этой характеристике выделяют растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые вещества.
Контрольные вопросы
60. Приведите примеры растворимых и нерастворимых в воде кислот.
61. Назовите нерастворимые, малорастворимые и растворимые соли.
62. Какие вы знаете жидкости и газы, хорошо растворимые в воде?
63. Приведите примеры веществ, растворимость которых при нагревании: а) увеличивается; б) уменьшается; в) почти не меняется.
Задания для усвоения материала
64. Почему аквариумы нельзя наполнять кипяченой водой?
65. В воду случайно попал бензин. Как его можно отделить от воды? Будет ли вода иметь запах бензина, если разделение проводить путем:
а) отстаивания; б) дистилляции?
66. Какие из газов — кислород, гидроген хлорид, азот, аммиак, гелий — можно собирать: а) над водой; б) только вытеснением воздуха? Почему?
67. По кривой растворимости (рис. 6.3) определите, какую массу соли можно растворить в 1 кг воды: а) аргентум(1) нитрата при 0 °С; б) натрий нитрата при 20 °С; в) купрум(И) сульфата при 30 °С; г) плюмбум(И) хлорида при 100 °С; д) калий нитрата при 10 °С и 50 °С.
68. По рисунку 6.3 определите: а) соль с наименьшей растворимостью;
б) соль, растворимость которой наибольшая при 0 °С и 20 °С; в) соль, растворимость которой наиболее зависит от температуры; г) соль, растворимость которой наименее зависит от температуры.
69. По рисунку 6.3 сравните растворимость купрум(П) сульфата и натрий хлорида при температурах 20 °С и 80 °С.
70. В воде при 80 °С растворили максимальное количество натрий нитрата. Раствор охладили до комнатной температуры. Что можно наблюдать?
71. При изготовлении сильногазированной воды в одной бутылке объемом 1 л растворяют около 1600 мл углекислого газа. В такой открытой бутылке в растворенном состоянии остается около 880 мл углекислого газа. Какой объем углекислого газа выделится при открывании бутылки сильногазированной воды объемом 1 л? Больше или меньше газа выделится, если бутылку предварительно охладить? нагреть?
72. В лаборатории перед занятием по химическим свойствам углекислого газа приготовили известковую воду. Для этого в воде массой 150 г растворили максимально возможное количество кальций гидроксида. Вычислите, какую максимальную массу осадка можно получить при пропускании углекислого газа через приготовленный раствор. Для расчетов воспользуйтесь информацией из рисунка 6.3, учитывая, что температура в лаборатории была 20 °С.
73. При комнатной температуре в воде объемом 1 л максимально растворяется 6,3 . 10 -3 моль барий флуорида. Вычислите массу такого количества вещества барий флуорида.
74. По материалам параграфа определите, какими веществами (растворимыми, малорастворимыми или практически нерастворимыми) являются: а) аммиак; б) углекислый газ; в) кислород. Ответ поясните.
75. По рисунку 6.3 определите, на сколько больше (по массе) калий нитрата можно максимально растворить в 100 г воды при температуре 60 °С, чем при 30 °С.
76. Предложите план эксперимента для определения растворимости вещества в воде. Какие измерения вы должны провести для достижения цели? Какие факторы будут влиять на точность эксперимента?
Это материал учебника