Хімія. 7 клас. Дячук

§ 27. Розчин

Із цього параграфа ви дізнаєтеся:

• що таке розчини;
• що називають розчинником, а що — розчиненою речовиною;
• як класифікують розчини;
• як поділяють речовини за розчинністю;
• від чого залежить розчинність твердих речовин, рідин і газів;
• як можна вирощувати кристали.

Пригадайте з вивченого на уроках природознавства:

— які речовини розчиняються у воді, а які — не розчиняються?

Вода розчиняє багато речовин. Потрапляючи у воду, речовина під дією молекул води розпадається на окремі частинки, наприклад, цукор (сахароза) С₁₂Н₂₂О₁₁ та етиловий спирт С₂Н₆О у водних розчинах розпадаються на окремі молекули.

Приготуємо розчин мідного купоросу CuSO₄ • 5H₂O. Для цього на дно колби помістимо декілька грамів речовини та доллємо дистильованої води. При перемішуванні кристали розчиняться, а рідина у колбі набуде блакитного кольору.

Розчин може мати забарвлення (як у разі з мідним купоросом) або бути безбарвним (розчин кухонної солі), але при цьому він завжди прозорий, і в закритій посудині може зберігатись як завгодно довго, якщо розчинена речовина не вступає з водою у хімічну реакцію і не розкладається.

Якщо на дно високого циліндра з водою помістити великий кристал калій перманґанату KMnO₄, то можна спостерігати, як відбувається розчинення. На дні циліндра довкола кристала рідина забарвлюється в темно-фіолетовий колір, і досить швидко від кристала вверх потягнеться фіолетова цівка розчину. Лише згодом завдяки дифузії забарвлення стане рівномірним у всьому циліндрі.

Розчини — це однорідні суміші речовин.

Як і інші суміші, розчини не мають постійного складу.

Розчини бувають тверді, рідкі та газоподібні. Прикладами твердих розчинів є деякі сплави, наприклад, «електрон» — сплав срібла з золотом. Повітря можна розглядати як газоподібний розчин.

Речовину, що міститься в суміші в надлишку і в тому ж агрегатному стані, що й розчин, називають розчинником, а решту компонентів — розчиненими речовинами. У водних розчинах розчинником є вода. Крім води, розчинниками є інші рідини: етиловий спирт, гас тощо. Йодна настоянка, яку використовують для дезінфекції ран, є спиртовим розчином йоду. Змити фарбу з руки або одежі можна за допомогою шматочка вати, змоченої ацетоном або бензином. Ці речовини також є хорошими розчинниками.

В хімії умовно розрізняють розбавлені та концентровані розчини. Розчин, у якому міститься багато розчиненої речовини і, відповідно, мало розчинника, називають концентрованим. Розсіл — це концентрований розчин кухонної солі, а цукровий сироп — концентрований розчин цукру. В розбавленому розчині міститься мало розчиненої речовини. Підсолений суп та чай із цукром є прикладом розбавлених розчинів.

Зазвичай розчин розглядають як суміш розчинника та розчиненої речовини, оскільки розчини не мають постійного хімічного складу (мал. 90).

Проте при утворенні розчинів спостерігають деякі ознаки, які зазвичай супроводжують хімічні реакції. Наприклад, виділення або поглинання теплоти. Якщо додати до води сульфатну кислоту, температура розчину підвищується настільки сильно, що часто вода закипає. Розчинення кухонної солі або калійної селітри, навпаки, супроводжується охолодженням.

Властивості розчину також відрізняються від властивостей індивідуальних речовин. Водні розчини закипають при температурі понад 100 °С, а замерзають — менше 0 °С. На цій властивості ґрунтується використання солі для боротьби з ожеледицею: сіль, попадаючи на сніг та розчиняючись в ньому, утворює розчин, який замерзає лише при сильному морозі. Тверді солі, як і чиста вода, не проводять електричного струму, проте розчини солей електропровідні.

Отже, за деякими ознаками розчини нагадують суміші, а за іншими вони подібні до хімічних сполук. Тому процес розчинення вважають фізико-хімічним явищем.

Мал. 90. Нікель хлорид (а) і його водний розчин (б).

Здатність речовини розчинятись у воді називають розчинністю. За розчинністю речовини умовно поділяють на добре розчинні, малорозчинні та практично нерозчинні.

Помістимо в різні пробірки приблизно однакові кількості калійної селітри (калій нітрату) KNO₃, кухонної солі (натрій хлориду) NaCl, гіпсу (кальцій сульфату, дигідрату) CaSO₄ • 2H₂O і крейди (кальцій карбонату) CaCO₃. Доллємо до них дистильованої води і розмішаємо скляною паличкою. Селітра та кухонна сіль розчиняються повністю — вони добре розчинні у воді. В пробірках з гіпсом і крейдою залишаться білі осади. Відфільтруємо їх, а фільтрати випаруємо в порцелянових чашках. При випарюванні розчину гіпсу на дні чашки залишиться білий порошок, тоді як наліт крейди в другому випадку практично непомітний. Це означає, що гіпс трохи розчиняється у воді, проте і не так добре, як кухонна сіль чи селітра. Крейда у воді практично нерозчинна.

Якщо внаслідок хімічної реакції утворюється речовина, малорозчинна або практично нерозчинна у воді, то вона виділяється з розчину у вигляді осаду — розчин стає каламутним.

Дані про розчинність деяких неорганічних речовин подано у таблиці розчинності (див. форзац підручника).

У таблиці літерою «р» позначено речовину, яка добре розчиняється у воді; літерою «м» — малорозчинну речовину, «н» — нерозчинну. У деяких клітинках таблиці стоїть прочерк. Це означає, що ця речовина або вступає з водою у хімічну реакцію та не може існувати у водному розчині, або таку речовину взагалі не вдається отримати.

Усі тверді речовини лише обмежено розчинні у воді. Їх розчинність виражають числом. Воно показує найбільшу масу речовини, яка може розчинитися у 100 г води за певних умов.

РОЗЧИННІСТЬ ДЕЯКИХ РЕЧОВИН У ВОДІ ПРИ 20 °С

Речовина	Розчинність, г на 100 г води
Кухонна сіль NaCl	36
Цукор	203
Кристалічна сода Na2CO3 • 10H2O	58
Харчова сода NaHCO3	10
Мідний купорос CuSO4 • 5H2O	32
Ляпіс	228
Калій перманґанат KMnO4	6,4
Аспірин	0,25
Лимонна кислота	133
Крейда CaCO3	0,007
Барій сульфат BaSO4	0,00024

Наприклад, у 100 г води при 20 °С можна розчинити не більше 32 г KNO₃, 36 г NaCl, 0,25 г СаSО₄ • 2H₂O, і 0,007 г CaCO₃. Ці показники можна знайти в довідниках.

Зверніть увагу: навіть крейда, яку вважають практично нерозчинною, насправді незначною мірою переходить у розчин. Абсолютно нерозчинних речовин немає! Навіть благородні метали, наприклад срібло, здатні незначною мірою розчинятися. Недаремно вода, яку зберігають у срібному посуді, має цілющі властивості. Раніше її використовували для промивання ран.

Розчинність речовин залежить від температури. Для більшості твердих речовин з підвищенням температури (мал. 91, а) вона помітно збільшується. Кухонна сіль розчиняється однаково як у холодній, так і в гарячій воді. А вапно і гіпс краще розчиняються у холодній воді (мал. 91, б).

Мал. 91. Криві розчинності деяких речовин

Дослідним шляхом встановлено, що при температурі 0 °С у 100 г води можна розчинити не більш ніж 13 г калійної селітри KNO₃, при 20 °С — 32 г, при 40 °С — 64 г, при 60 °С — 110 г, а при 100 °С — 246 г. Використавши ці дані, можна побудувати криву розчинності.

Розчин, у якому речовина ще може розчинитись при певній температурі, називають ненасиченим. Ненасиченим, наприклад, є розчин, отриманий додаванням 5 г кухонної солі до 100 г води.

Розчин, у якому при певній температурі речовина більше не розчиняється, називають насиченим. Наприклад, розчинність кухонної солі за кімнатної температури становить 36 г в 100 г води. Отже, для приготування насиченого розчину потрібно розчинити 36 г солі в 100 г води. Маса розчину при цьому дорівнює 136 г.

При повільному охолодженні насичених розчинів багатьох солей або при поступовому випаровуванні води сіль виділяється з розчину у вигляді великих кристалів. Кристали різних солей відрізняються за формою. Так, кристали кухонної солі зазвичай мають кубічну форму, алюмокалієвий галун KAl(SO₄)₂ • 12H₂O виділяється з розчинів у вигляді октаедрів, калійна селітра у вигляді довгих голок, а мідний купорос утворює яскраво-сині призми (мал. 92).

Для отримання великих кристалів мідного купоросу потрібно приготувати розчин солі, насичений при підвищеній температурі. Для цього потрібно розчинити при нагріванні 44 г мідного купоросу в 100 мл дистильованої води, а потім залишити розчин повільно охолоджуватись. Наступного дня на дні посудини з’являться призматичні кристали.

Мал. 92. Форми кристалів: а — кухонної солі; б — галуна; в — калійної селітри; г — мідного купоросу

Рідини та гази, як і тверді речовини, здатні розчинятися у воді. Деякі рідини, наприклад, етиловий спирт, гліцерин, ацетон, сульфатна, нітратна та оцтова кислоти, необмежено розчинні у воді — їх можна змішувати з водою у будь-яких співвідношеннях. Бензин, гас, олія, хлороформ і багато інших рідин лише незначно розчиняються у воді, а тому їх вважають практично нерозчинними. Якщо таку рідину, наприклад олію, вилити у воду і перемішати, то з часом утворюються два різні шари — верхній (олія) і нижній (вода). Про такі рідини кажуть, що вони не змішуються.

Гази також відрізняються за розчинністю. Найбільшу розчинність у воді мають хлороводень HCl і аміак NH₃. При температурі 0 °С і атмосферному тиску в 1 л води можна розчинити 500 л хлороводню і 1200 л аміаку. Водний розчин хлороводню називають хлоридною кислотою, а розбавлений водний розчин аміаку — нашатирним спиртом. Розчинність інших газів у воді суттєво нижча. Наприклад, у тих самих умовах в 1 л води розчиняється лише 1,7 л вуглекислого газу, 50 мл кисню, 23 мл азоту і 21,5 мл водню. Найменше з усіх газів розчинний гелій — 9,7 мл в 1 л води.

Якщо холодну водогінну воду нагріти, не доводячи її до кипіння, то на дні та стінках посудини утворюються бульбашки повітря, яке виділяється з води. Це пояснюється тим, що розчинність усіх газів зменшується з підвищенням температури (мал. 93).

Мал. 93. Криві розчинності деяких газів у воді

На відміну від рідин і твердих тіл, гази значно краще розчиняються при підвищенні тиску. Вам, очевидно, доводилося відкривати пластикову пляшку з газованою водою. При виготовленні цього напою воду насичують вуглекислим газом при підвищеному тиску, а пляшку герметично закривають. Коли відкрити пляшку, тиск у ній вирівнюється з атмосферним, а надлишковий вуглекислий газ починає виділятися, інколи настільки бурхливо, що разом з ним із пляшки виливається частина рідини.

Запам’ятайте: розчинність газів зростає з пониженням температури і підвищенням тиску.

Мал. 94. Вирощування кристалів алюмінієвих галунів.

• ... алхіміки вважали, що речовини не можуть вступати у хімічні реакції, якщо вони не розчинені. Тому, поряд із «філософським каменем», алхіміки шукали й універсальний розчинник «алькагест» — речовину, яка розчиняє все! Проте, досліди алхіміків з метою отримання універсального розчинника були безрезультатними.
• ...сучасні хіміки більш як 99% перетворень речовин здійснюють у розчинах.
• ...речовини розчиняються не лише у воді, а й у спирті, бензолі, сірковуглеці, ртуті та інших речовинах.

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Вирощування кристалів

Отримайте великі кристали галунів чи кухонної солі. Для цього приготуйте насичений розчин солі, додаючи її до води доти, поки вона не перестане розчинятися, потім одержаний розчин профільтруйте, закрийте посудину шматком матерії чи фільтрувального паперу і поставте в тепле місце. Через декілька днів на дні посудини з’являться невеликі кристали. Виберіть один найбільш правильний кристал, перенесіть його в іншу посудину і залийте тим самим розчином. Кристал буде повільно рости. Щоб він ріс рівномірно, щодня пінцетом повертайте його, а також у разі необхідності доливайте розчин. Якщо у розчині з’являться нові кристали, їх потрібно видалити, користуючись пінцетом. Можна опустити в посудину з розчином нитку, і коли на ній осядуть декілька кристалів, витягнути її, очистити, залишивши на ній лише один правильно сформований кристал, а потім знову занурити в розчин. У такому разі повертати кристал не треба (мал. 94). Якщо опустити в насичений розчин кухонної солі дріт, обмотаний вовняною ниткою, можна отримати ціле намисто з дрібних кристалів.

ВИСНОВКИ

• Розчини — це однорідні суміші речовин.
• Речовину, що є в суміші в надлишку і в тому ж агрегатному стані, що й розчин, називають розчинником, а решту компонентів — розчиненими речовинами.
• Тверді речовини мають різну розчинність у воді. Розчинність більшості твердих речовин зростає з підвищенням температури. Розчинність газів зменшується при підвищенні температури розчину і збільшується при підвищенні тиску.
• Розчини поділяють на насичені та ненасичені, розбавлені та концентровані.

Початковий рівень

• 1. Що в хімії називають розчином? Які бувають розчини?
• 2. Наведіть приклади речовин, розчинність яких при нагріванні:

а) збільшується;

б) зменшується;

в) майже не змінюється.

• 3. Які ви знаєте рідини і гази, добре розчинні у воді?
• 4. Чому акваріуми не можна заповнювати перевареною водою?

Середній рівень

• 5. Дайте визначення понять: «розчинник», «розчинена речовина», «розчинність», «насичений розчин», «концентрований розчин».
• 6. У воду випадково потрапив бензин. Як його можна відокремити від води? Чи буде вода мати запах бензину, якщо розділення проводити:

а) в ділильній лійці;

б) шляхом дистиляції?

Достатній рівень

• 7. Медичний спирт є розчином, у 100 г якого міститься 96 г спирту і 4 г води. Чи можна однозначно відповісти на питання, що у цьому разі є розчинником, а що — розчиненою речовиною? Розбавлений цей розчин чи концентрований?
• 8. Розчин калійної селітри, насичений при 80 °С, охолодили до кімнатної температури. Що ви будете спостерігати?
• 9. Які з перелічених газів — кисень, хлороводень, вуглекислий газ, азот, аміак, гелій — можна збирати:

а) над водою;

б) лише витісненням повітря? Чому?

Високий рівень

• 10. У 100 г води при 20 °С розчинили 32 г кухонної солі. Чи буде цей розчин:

а) насиченим;

б) концентрованим?

• 11. Взимку на дні затоки Кара-Богаз-Гол у Каспійському морі утворюється товстий шар мірабіліту Na₂SO₄ • 10H₂O, а влітку він зникає. Чому? В яку пору року вода в Кара-Богаз-Голі є насиченим розчином?
• 12. При атмосферному тиску і кімнатній температурі в 1 л води можна розчинити 880 мл вуглекислого газу, а при тискові, що створюється у закритій пляшці — майже 1600 мл. Який об’єм вуглекислого газу виділиться, якщо відкоркувати пляшку газованої води об’ємом 2 л? Більше чи менше газу виділиться, якщо попередньо охолодити пляшку?

Додаткове завдання

• 13. Яка мінімальна маса води, у якій за кімнатної температури можна розчинити 1 г кухонної солі, калійної селітри, крейди?
• 14. За кривою розчинності кухонної солі (див. мал. 91) визначте, яку масу її можна розчинити в 1 кг води при кімнатній температурі.