Хімія. Поглиблений рівень. Повторне видання. 9 клас. Бутенко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 5. Розчинення — фізико-хімічний процес

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

  • про явища, які відбуваються під час розчинення речовин;
  • чому розчинення вважають фізико-хімічним процесом.

Сутність процесу розчинення. Розчинення — фізико-хімічний процес, що супроводжується різними явищами. Простежимо ці явища на прикладі розчинення солі та основи.

Під час розчинення внаслідок взаємодії з розчинником відбувається розпад речовини до стану молекул або йонів, наприклад:

а також рівномірний розподіл (дифузія) частинок, що утворилися, між молекулами води. Процес дифузії відбувається спонтанно внаслідок теплового руху частинок розчину.

* Рівняння в дужках показує, що сіль у розчині перебуває у вигляді йонів.

Демонстраційний дослід

Дотримуйтесь правил безпеки під час дослідів!

Дифузія в рідинах

• Дослідимо вплив температури

Наповнюємо дві склянки водою: одну — водою кімнатної температури, другу — водою, підігрітою до температури 80-90 °С. У кожну склянку занурюємо пакетик чаю.

Що спостерігаєте? У якій склянці забарвлення розчину в усьому об’ємі швидше стає однаковим? У якій зі склянок колір розчину інтенсивніший?

• Дослідимо вплив перемішування рідини

Беремо дві склянки з водою однакової температури. У кожну склянку занурюємо пакетик чаю. Перемішуємо рідину в одній зі склянок ложкою.

Що спостерігаєте? У якій склянці забарвлення розчину в усьому об’ємі скоріше стає однаковим?

Зробіть висновок про вплив температури та перемішування на швидкість процесу дифузії.

Що ж відбувається під час взаємодії розчинника та розчиненої речовини? Чому речовина руйнується? Коли тверді кристали ΝΗ4ΝΟ3 потрапляють у воду, їхня поверхня оточується полярними молекулами води. Полярні молекули води — диполі («два полюси») певним чином орієнтуються навколо кожного з йонів, електростатично взаємодіють з ними, унаслідок чого зв’язки між йонами руйнуються, навколо кожного йона утворюється повна водна оболонка. Такі йони вже не зв’язані між собою, вони в об’ємі водного середовища здатні переміщуватися більш-менш незалежно один від одного (рис. 12).

Водну оболонку навколо йонів називають гідратною, процес її утворення — гідратацією, а продукт — гідратованим йоном. Експерименти показують, що гідратна оболонка навколо кожного йона складається приблизно з 30 молекул води. Гідратація супроводжується виділенням енергії.

Сила, яка утримує частинки в гідратній оболонці, та кількість диполів Н2О в ній залежать від багатьох факторів: від заряду йона та його розмірів, від температури розчину, від кількості води тощо. Енергія кристалічних ґраток також залежить від хімічної природи йонів, що їх утворюють. Тому й кількість теплоти, що виділяється чи поглинається під час розчинення, різна.

Теплові явища під час розчинення. Якщо в хімічну склянку з водою за кімнатної температури внести кристали амоній нітрату, то в міру розчинення солі температура розчину різко зменшиться, так що склянка навіть примерзне до столу, якщо зовні була мокрою. Це може відбутися лише внаслідок витрачання енергії у вигляді теплоти.

• На який процес поглинається енергія?

На перехід твердої речовини в розчин, тобто на руйнування кристалічних ґраток.

Енергія поглинається на руйнування йонного зв’язку між йоном амонію (ΝΗ4) і нітрат аніоном (ΝΟ3) у кристалі солі. Таким чином відбувається розчинення цієї сполуки у воді.

Отже, під час розчинення ΝΗ4ΝΟ3 у воді температура розчину знижується (рис. 13, а). Проте другий експеримент змушує замислитися.

Рис. 13. Зміна температури розчину внаслідок поглинання (а) та виділення (б) енергії

Якщо розчинити у воді іншу речовину з йонними кристалічними ґратками — натрій гідроксид NaOH, то виявиться, що температура розчину підвищується (рис. 13, б):

Йонні ґратки руйнуються (адже утворюється розчин), отже, енергія поглинається. Проте в процесі розчинення NaOH відбувається підвищення температури розчину. Підвищення температури вказує на те, що, крім поглинання енергії, під час руйнування кристалу відбуваються процеси, які тривають із виділенням енергії, і саме вони стають переважальними. Ці процеси пов’язані з гідратацією та утворенням гідратованих йонів.

Розчинення сульфатної кислоти у воді теж відбувається з виділенням теплоти й розігріванням унаслідок переважання процесів гідратації.

Демонстраційний дослід

Дотримуйтесь правил безпеки під час дослідів!

Теплові явища під час розчинення

1. Наливаємо у дві хімічні склянки ємністю 100 мл воду об’ємом 50 мл і вимірюємо температуру термометром. Потім в одну зі склянок насипаємо 0,4 г амоній нітрату, розмішуємо його скляною паличкою до повного розчинення та знову вимірюємо температуру.

2. У другій склянці в дистильованій воді розчиняємо кілька кристалів натрій гідроксиду. Розмішуємо скляною паличкою до повного розчинення та визначаємо температуру розчину.

Під час якого з проведених дослідів відбувалося виділення теплоти, а в якому — поглинання?

Таким чином, процес розчинення речовин в одних випадках супроводжується поглинанням теплової енергії, а в інших — її виділенням. Це свідчить про те, що під час розчинення речовин відбуваються як фізичні явища (подрібнення речовин до структурних частинок — молекул або йонів, їхня дифузія), так і хімічні — взаємодія утворених частинок з молекулами розчинника. Загальний тепловий ефект процесу розчинення залежить від співвідношення величини енергії, яка поглинається у результаті розриву зв’язків між йонами та величини енергії, яка виділяється у результаті хімічної взаємодії цих часток з молекулами води, тобто гідратації. Отже, розчинення — це фізико-хімічний процес. Висновок: розчини займають проміжне положення між механічними сумішами та хімічними сполуками.

Подібність розчинів до механічних сумішей:

  • а) розчини не мають сталого складу, він може змінюватися в широких межах;
  • б) розчини зберігають властивості розчинника й розчиненої речовини. Їх можна легко розділити на складові, так само як і механічні суміші.

Подібність розчинів до хімічних сполук:

  • а) розчини однорідні та стійкі, розчинені речовини не осаджуються з часом, розчини не розшаровуються тривалий час;
  • б) процес розчинення супроводжується тепловими явищами, а в багатьох випадках — зміненням кольору частинок розчиненої речовини.

Основні поняття. Подрібнення розчиненої речовини. Дифузія. Теплові явища. Гідратація.

Запитання та завдання

1. Який процес називають розчиненням?

2. Чому процес розчинення можна назвати: а) фізичним; б) хімічним; в) фізико-хімічним?

3. Який процес — фізичний чи хімічний — супроводжується: а) поглинанням енергії; б) виділенням енергії?

4. Як називають водні оболонки, що утворюються навколо кожного йона, коли він переходить у воду? Як називають полярні молекули води, що утворюють водні оболонки?

5. Чим розчини схожі з механічними сумішами? із хімічними сполуками?