5.1 Растворы. Электролитическая диссоциация

Раздел 5.  Растворы. Электролитическая диссоциация

5.1.  Понятие о растворах. Процесс растворения. Растворимость веществ

Растворы – гомогенные (однородные) системы переменного состава, которые содержат два или несколько компонентов.

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ  (газообразных, жидких, твердых):

Жидкие растворы могут быть водные и неводные. Водные растворы – это растворы, в которых растворителем является вода. Неводные растворы – это растворы, в которых растворителями являются другие жидкости (бензол, спирт и т. д.).

На практике чаще применяются водные растворы.

Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества:

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.

Не всегда обязательно вода является растворителем – существуют и неводные растворы. Однако когда речь идет о водных растворах, воду считают растворителем и в тех случаях, когда ее меньше. Например, говорят о 96%-ном растворе этилового спирта в воде, а не о 4 %-ном растворе воды в спирте.

** Существуют растворы не только жидкие, но и твердые. В твердых растворах частицы одного вещества хаотично распределены среди частиц какого-нибудь другого, но обязательно твердого вещества. Например, водород охотно растворяется в некоторых металлах (платине, палладии), и это пример твердого раствора. Смеси газов (например, воздух) не называют растворами. Дело в том, что важным свойством растворов является заметное взаимодействие между частицами растворителя и растворенных веществ, а в газах такое взаимодействие практически отсутствует.

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 межмолекулярные (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.

Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки). Между молекулами сахара и воды возникают межмолекулярные связи, благодаря которым молекулы сахара отрываются от поверхности кристалла.

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 или другими межмолекулярными 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.

Например, при комнатной температуре мы не можем растворить в 100 мл воды более 200 г сахара или более 35,9 г поваренной соли. В таких случаях говорят, что раствор стал насыщенным.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже больше не растворяется, называется НАСЫЩЕННЫМ.

В насыщенном растворе при данной температуре содержится максимально возможное количество растворенного вещества.

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

Следовательно, никакое самое сильное перемешивание не помогает растворить в насыщенном растворе дополнительные порции вещества. Однако, если повысить температуру, то раствор вновь может стать ненасыщенным и растворить еще определенную порцию кристаллов.

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. Даже когда мы наливаем воду в стеклянный сосуд, очень небольшая часть молекул стекла неизбежно переходит в раствор.

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

В целом растворимость разных веществ определяется многими сложными причинами, некоторые из которых до сих пор не ясны. Поэтому трудно предсказать растворимость какого-либо вещества по его химической формуле или агрегатному состоянию.

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).

Таблица  Растворимость некоторых веществ в воде при комнатной температуре

Название вещества		Формула		Агрегатное состояние	Растворимость (г/100 г воды)
Серная кислота		H2SO4		жидкость	любое количество
Хлористый водород		HCl		газ	71,9
Хлорид натрия		NaCl		крист.	35,9
Сульфат меди		CuSO4.5H2O		крист.	20,7
Сульфат кальция		CaSO4		крист.	0,2
Тетрахлорид углерода		CCl4		жидкость	0,08
Сульфат бария		BaSO4		крист.	0,00023
Хлорид серебра		AgCl		крист.	0,00015

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.

Таблица   Влияние температуры на растворимость некоторых твердых веществ. В таблице приведена растворимость в г/100 г воды.

Вещество			Температура, ° C
		0		20		50		80		100
KBr		53,5		65,2		80,8		94,6		103,3
NaCl		35,7		35,9		36,8		38,1		39,4
CaSO4		0,176		0,206		0,180		0,102		0,066

Если полученные в опытах значения нанести на оси координат, то получаются так называемые кривые растворимости различных веществ. Эти кривые имеют практическое значение. По ним легко узнать, сколько вещества (например, KNO₃) выпадет в осадок при охлаждении до 20 ^oС насыщенного раствора, приготовленного при 80 ^oС.

 Кривые растворимости твердых (а) и газообразных (б) веществ

С помощью таких операций очищают вещества. Дело в том, что при охлаждении насыщенного раствора образуется пересыщенный раствор, из которого кристаллы начинают выпадать либо самопроизвольно, либо после добавления небольшой "затравки" - кристаллика чистого вещества, который служит центром дальнейшей кристаллизации (посмотрите, как красиво это происходит в опыте). Однако основного вещества в растворе обычно намного больше, чем примесей и раствор оказывается пересыщенным только по основному веществу, но не по примесям. Поэтому при охлаждении в осадок выпадает только чистое вещество, а примеси (вместе с небольшой частью основного вещества) остаются в растворе.

Чистые кристаллы отфильтровывают от охлажденного, загрязненного примесями раствора. Этот способ очистки называется ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ. Так очищают, например, многие лекарственные препараты.

Давление не оказывает заметного влияния на растворимость твердых веществ, потому что при растворении не происходит заметного изменения объема системы. Зато увеличение давления повышает растворимость газов. В этом можно убедиться, открыв бутылку с минеральной водой, в которой углекислый газ растворяют под давлением. Как только бутылку открывают, давление в ней падает и тут же уменьшается растворимость газа, который начинает выделяться из раствора в виде пузырьков.

** Когда молекулы растворенного вещества связываются с молекулами воды, то получаются, строго говоря, новые химические соединения. Эти молекулярные агрегаты не имеют постоянного состава и поэтому не являются теми химическими соединениями, которые мы привыкли выражать формулами. Их общее название – гидраты. С гидратами мы уже познакомились в предыдущем параграфе. Процесс связывания веществ с водой называется гидратацией.

Поскольку образование водородных и других связей энергетически выгодно (для растворимых веществ), гидратация сопровождается выделением энергии. Часть этой энергии расходуется на разрушение кристаллической решетки, а её избыток может выделяться в виде тепла. Например, растворение твердого гидроксида натрия NaOH сопровождается сильным разогревом раствора.

Если на разрушение кристаллической решетки тратится больше энергии, чем образуется при получении гидратов, то раствор может охлаждаться. Например, если в стакан с водой поместить твердый нитрат аммония NH₄NO₃ и поставить стакан на влажный картон, то картон примерзает к стакану – настолько низко падает температура раствора.

Молекулы воды из гидратной оболочки иногда могут вступать в химическую реакцию с растворенным веществом, образуя уже настоящее химическое соединение с постоянным составом, которые можно выделить из раствора, осторожно упаривая воду. Эти соединения называются кристаллогидратами. С кристаллогидратом CuSO₄^.5H₂O (медный купорос) вы уже знакомы.

Приведенные факты говорят о том, что растворение не является чисто физическим явлением, хотя и можно вернуть растворенное вещество в неизменном виде путем выпаривания растворителя. Казалось бы – нет изменения вещества – нет и химических превращений. На самом деле при выпаривании растворов происходит разрушение гидратов (реакция разложения) и вновь образуется кристаллическое вещество. Таким образом, и растворение вещества и выпаривание раствора имеют признаки химических реакций.

Главное, что в самом растворе вещество находится в качественно новом состоянии – в виде гидратов. Поэтому растворение следует считать не физическим, а физико-химическим процессом. С этой точки зрения более полным определением раствора является следующее:

Растворами называют физико-химические однородные смеси переменного состава, состоящие из двух или нескольких веществ и продуктов их взаимодействия.

Напомним, что под переменным составом растворов подразумевают прежде всего возможность непрерывно изменять (в определенных пределах) соотношение растворенного вещества и растворителя. В то же время какой-либо конкретный раствор, если он находится в плотно закупоренном сосуде, и если в нем со временем не происходит необратимых реакций, имеет, конечно, постоянный состав.

УПРАЖНЕНИЯ

1.     Решение задачи с использованием понятия кристаллогидраты.

20 г пентагидрата сульфата меди(II) растворили в 250 г воды. Какова массовая доля сульфата меди в полученном растворе?

Р е ш е н и е:

CuSO₄•5H₂O – пентагидрат сульфата меди(II), или медный купорос. Найдем массовую долю соли в кристаллогидрате.

М(CuSO₄•5H₂O) = 250 г/моль,

M(CuSO₄) = 160 г/моль,

(CuSO₄) = 160/250 = 0,64

(напомним, что массовая доля – всегда отношение массы части к массе целого).

= 12,8/270 = 0,047, или 4,7%.

Ответ. Массовая доля сульфата меди 
в полученном растворе равна 4,7%.

__________________________________________________________________

2.

__________________________________________________________________

3. При температуре 40 °С растворимость вещества (в г на 100 г H₂O) составляет 75 г, а при 0 °С — 45,2 г. Укажите формулу вещества:

1) AgCl;

2) NH₃;

3) CH₃OH;

4) AgF.

Решение: Этим веществом не может быть аммиак (газ), так как его растворимость с понижением температуры увеличивается. Растворимость вещества достаточно высока, поэтому это не может быть AgCl (нерастворимая в воде соль). Искомым веществом не может быть метанол CH₃OH, поскольку он неограниченно растворяется в воде. Следовательно, имеется в виду AgF.

Ответ: 4).

__________________________________________________________________

4. В 400 мл. воды при 200С может раствориться 48 г. сульфата калия. Какова растворимость сульфата калия при данной температуре?

_________________________________________________________________

ЗАДАНИЯ  ДЛЯ  САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. 20 г пентагидрата сульфата меди(II) растворили в 250 г воды. Какова массовая доля сульфата меди в полученном растворе?

2.Рассчитайте массовую долю серной кислоты в растворе, полученном смешением 20 г кислоты и 60 г воды.

3.При приготовлении компота сироп готовится из расчета 30 г сахара на 160 г воды. Чему равна массовая доля сахара в этом сиропе?

4.Какая масса этилового спирта требуется для приготовления 3%-ой йодной настойки из 5 г йода?

5.Какие массы хлорида натрия и воды нужно взять для приготовления 60 г раствора с массовой долей соли 3%?

6.В 100 г кипящей воды растворили 100 г бромистого калия KBr. Раствор оказался ненасыщенным. После охлаждения раствор стал насыщенным, из него выпали кристаллы бромистого калия. Сколько KBr выпало в осадок при 20° С? Для ответа на вопрос воспользуйтесь таблицей 7-3.

7. Путем выпаривания воды из 222,2 г насыщенного раствора сульфата калия K₂SO₄ получено 22,2 г остатка, не содержащего воды. Найдите растворимость K₂SO₄ в воде.

8. Растворимость дихромата калия K₂Cr₂O₇ при комнатной температуре равна 12,5 г/100 г H₂O. Какова будет масса насыщенного раствора, если для его приготовления использовано 400 г воды?

9. Определите массовую долю (%) кристаллизационной воды в медном купоросе, глауберовой соли, кристаллической соде.

10. Какая масса воды соединяется с безводным сульфатом натрия массой 56,8 г при образовании кристаллогидрата Na₂SO₄ * 10H₂O?

ВИДЕО ОПЫТ

1.     Укажите верные утверждения:
а) при увеличении температуры растворимость газообразных веществ в воде возрастает	б) насыщенный раствор может быть как разбавленным, так и концентрированным
в) растворы подобно механическим смесям  подчиняются закону постоянства состава	г) при растворении твердых веществ в воде энергия всегда выделяется
2.     Какие утверждения справедливы для насыщенных растворов:
а) нет верного ответа	б) не может быть разбавленным
в) всегда является концентрированным	г) не всегда является концентрированным
3.     Укажите формулы веществ, насыщенные растворы которых будут разбавленными:
а) NaCl	б) CO3
в) AgCl	г) KNO3
4.     Учитывая, что растворение сероводорода в воде описывается схемой H2S(г) + H2O (ж) ↔ H2S(ж) +Q, укажите, какие факторы способствуют повышению растворимости  H2S в воде:
а) нет верного ответа	б) понижение температуры
в) понижение давления	г) повышение температуры
5.     Растворимость кислорода в воде возрастает:
а) с увеличением давления	б) при повышении температуры
в) при понижении давления	г) нет верного ответа
6.     Укажите формулу наименее растворимого в воде газа:
а) НCl	б) НF
в) NH3	г) N2
7.     Как можно ненасыщенный раствор сделать насыщенным:
а) добавить воду	б) уменьшить  концентрацию
в) растворить дополнительную порцию вещества	г) все предыдущие ответы верны
8.     Какова массовая доля NaОН в растворе, полученном растворением 2,3 г Na в 100 г H2O (ответ дайте в % с точностью до тысячных долей):
а) 3,917	б) 3,899
в) 3,910	г) 3,914
9.     Массовая доля хлороводорода (%) в растворе, полученном при растворении в одном объеме H2O 450 объемов НCl, составляет:
а) 40,1	б) 34,4
в) 42,3	г) 36,3
10.                        В 45 г H2O при 250С максимально растворяется 25 г соли. Коэффициент растворимости соли (в г на 100 г воды) равен:
а) 45,8	б) 50,6
в) 53,3	г)55,6

Ответы:

1	б
2	г
3	в
4	б
5	а
6	г
7	в
8	г
9	в
10	г