2. Образование растворов

ЯВЛЕНИЯ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ РАСТВОРЕНИЕ

При внесении твердого вещества в жидкость, в которой оно способно растворяться, от поверхности вещества отрываются отдельные молекулы или ионы и благодаря диффузии распределяются по всему объёму растворителя. Этот процесс мог бы продолжаться до полного растворения любого количества вещества, если бы одновременно не происходил обратный процесс – кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы или ионы, ударяясь о поверхность ещё не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав его кристаллов. В начальный момент времени скорость растворения велика, а скорость кристаллизации мала. Постепенно скорости процессов выравниваются, и в системе устанавливается равновесие, при котором в единицу времени растворяется столько молекул, сколько выделяется из раствора. Раствор, находящийся в равновесии с растворяющимся веществом, называется насыщенным. Насыщенный раствор содержит максимально возможное (при данных условиях) количество растворённого вещества. Концентрацию насыщенного раствора некоторого вещества называют растворимостью этого вещества (обычно выражают количеством граммов вещества в 100 г растворителя).

Ненасыщенный раствор содержит вещества меньше, чем насыщенный. Поэтому при контакте ненасыщенного раствора с чистым веществом происходит его дополнительное растворение вплоть до насыщения раствора.

Можно получить и пересыщенный раствор, который содержит вещества

больше, чем насыщенный. Пересыщенный раствор неустойчив, из него легко выделяется избыток вещества до тех пор, пока не будет достигнута концентрация насыщенного раствора.

Процесс растворения всегда сопровождается выделением или поглощением энергии (теплоты растворения) и изменением объёма. Большинство кристаллических веществ растворяются в жидкостях с поглощением теплоты, однако при растворении в воде NaOH, K₂CO₃, безводного CuSO₄ и многих других происходит выделение теплоты. Выделяется теплота и при растворении некоторых жидкостей и всех газов.

При растворении кристаллов происходит их разрушение, что требует затраты энергии. Поэтому растворение должно сопровождаться поглощением теплоты. Наличие обратного эффекта свидетельствует о взаимодействии растворителя с растворенным веществом. Это взаимодействие получило название сольватации (в частном случае водных растворов – гидратации), а продукты такого взаимодействия – сольватов (гидратов). Таким образом, растворы можно рассматривать как сложные равновесные системы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Процесс образования гидратов протекает с выделением теплоты. При растворении твердых веществ общий тепловой эффект складывается из теплового эффекта собственно растворения и теплового эффекта гидратации. Поскольку первый из этих процессов эндотермичен, а второй экзотермичен, теплота растворения может иметь как положительное, так и отрицательное значение.

Гидраты, как правило, нестойкие соединения, часто разлагающиеся при выпаривании растворов. Но иногда гидраты настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов. Вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называются

кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной.

Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат. Например, CuSO₄∙5H₂O, Na₂SO₄∙10H₂O.

3. РАСТВОРИМОСТЬ

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора; численно она может быть выражена любым способом. Чаще всего её выражают числом единиц массы вещества в 100 единицах массы растворителя (при данной температуре).

Растворимость различных веществ в воде изменяется в широких пределах. Величина растворимости зависит от природы растворенного вещества и растворителя, а также от внешних условий.

Влияние природы компонентов раствора на растворимость довольно точно отражено в старинном правиле: «подобное растворяется в подобном». Растворимость тем выше, чем ближе друг к другу растворитель и растворяемое вещество по природе химических связей. В этом случае химические связи наиболее легко перераспределяются при образовании раствора. Поэтому вещества с ионным или полярным типом связи (например, неорганические соли) легче растворяются в полярных растворителях (например, в воде), а вещества с неполярным типом связи (иод, сера) - в неполярных или малополярных (в бензине, сероуглероде).

Влияние температуры на растворимость определяется знаком теплового эффекта растворения. Растворение большинства твердых веществ и жидкостей сопровождается поглощением теплоты. В соответствии с принципом

Ле Шателье, при увеличении температуры растворимость этих веществ увели-

чивается. Если растворение происходит с выделением теплоты, растворимость с ростом температуры понижается. Это наблюдается, например, при растворении в воде щелочей, многих солей лития, магния, алюминия. Растворение газов в воде почти всегда сопровождается выделением теплоты (вследствие сольватации их молекул), поэтому при повышении температуры растворимость газов понижается.

На растворимости твердых веществ и жидкостей давление практически не сказывается, т.к. в этом случае изменение объёма системы при растворении крайне незначительно. При растворении газообразных веществ в жидкостях объём системы уменьшается, поэтому рост давления способствует увеличению растворимости газов. Эта зависимость выражается законом Генри: при постоянной температуре растворимость газа в жидкости пропорциональна парциальному давлению газа над жидкостью.