Растворимость веществ - Растворы

Растворение - самопроизвольный (так как идет с увеличением энтропии в системе) обратимый процесс. Однако растворение возможно только до определенного предела, затем устанавливается состояние динамического равновесия, когда скорость растворения вещества равна скорости его кристаллизации.

Рассмотрим, как растворяется добавленный в чай сахар. Попадая в воду, молекулы сахара, находящиеся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды донорно-акцепторные 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. 1).

растворение сахара в воде

Рис. 1. Растворение сахара в воде

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 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 более интенсивно и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно и раствор становится одинаково сладким по всему объему.

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

Растворы бывают Насыщенными, ненасыщенными и пересыщенными.

Насыщенным называется раствор, содержащий максимальное количество растворенного вещества при данной температуре. Иными словами, насыщенный раствор характеризуется строго определенным содержанием растворенного вещества в фиксированном количестве растворителя при данной температуре.

Например, если в 100 г H2O поместить 50 г NaCl, то при 20єC в этом количестве воды может раствориться только 36 г соли, оставшиеся 14 г хлорида натрия будут в виде кристаллов находиться на дне стакана.

Ненасыщенным называется раствор, содержащий растворенного вещества меньше, чем в насыщенном растворе. В ненасыщенном растворе при данной температуре можно дополнительно растворить еще некоторое количество вещества.

Добавив к 100 г воды при 20єC хлорида натрия меньше 36 г, например, 6 г или 30 г, мы получим ненасыщенный раствор.

Пересыщенным называется раствор, содержащий больше растворенного вещества, чем насыщенный. Такой раствор находится в состоянии метастабильного (неустойчивого) равновесия. О его неустойчивости говорит тот факт, что при любом физическом воздействии на него, например, встряхивании или образовании центра кристаллизации при внесения кристалла, избыток растворенного вещества мгновенно выпадает в осадок: то есть происходит кристаллизация вещества из пересыщенного раствора.

Например, при нагревании до 100ОC произойдет растворение уже 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь раствор осторожно охладить до 20єC, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с пересыщенным раствором. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и, соответственно, переход в насыщенное устойчивое состояние.

В зависимости от количественного содержания растворенного вещества растворы также можно разделить на Концентрированные и Разбавленные. Эти понятия нельзя путать с понятиями насыщенных и ненасыщенных растворов. Раствор может быть насыщенным и, одновременно, быть разбавленным. Примером этого могут служить растворы всех труднорастворимых солей. И наоборот, концентрированный раствор необязательно будет являться насыщенным. Примером такого раствора является 70%-ный раствор серной кислоты.

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе.

Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном при данной температуре растворе.

Растворимость численно выражается Коэффициентом растворимости, который равен отношению массы вещества в насыщенном растворе к количеству растворителя.

Коэффициент растворимости измеряется в г/л воды или в г/100 г воды, иногда - в г/100 г раствора.

В качестве примера приведем растворимость (в граммах вещества на 100 г воды при комнатной температуре) некоторых веществ: твердых, жидких и газообразных (табл. 1).

Таблица 1.

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

По растворимости в воде вещества делятся на три группы:

    - Хорошо растворимые, когда в 100 г воды растворяется более 10 г вещества; - Плохо растворимые или малорастворимые, когда в 100 г воды растворяется менее 1 г вещества; - Практически нерастворимые, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ в природе не бывает, просто скорость процесса растворения в этом случае очень близка к нулю.

Похожие статьи




Растворимость веществ - Растворы

Предыдущая | Следующая