Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

§ 89. Істинні розчини. Розчинність речовин

Повторіть:

• за § 12: поняття про розчини, ознаку істинних розчинів;
• за § 12: механізм і енергетику процесу розчинення речовин та теплові явища, що супроводжують розчинення;
• за § 12: способи кількісного вираження складу розчину: масова частка та молярна концентрація;
• за § 40: поняття про хімічну рівновагу.

Розчинність речовин

Здатність речовини розчинятися у певних розчинниках називають розчинністю. У лабораторіях та на виробництві використовують розчини в різних розчинниках, але в побуті ми частіше стикаємося з водними розчинами і говоримо про розчинність речовин у воді.

Деякі полярні рідини, наприклад етиловий спирт, гліцерол, сульфатна кислота тощо, необмежено розчинні у воді — їх можна змішувати з водою в будь-яких співвідношеннях. Але більшість речовин обмежено розчинні. Максимальну масу речовини, що можна розчинити в 100 г за певної температури води, називають коефіцієнтом розчинності.

За коефіцієнтом розчинності речовини умовно поділяють на добре розчинні (понад 1 г речовини у 100 г води), малорозчинні (від 0,01 г до 1 г у 100 г води) та практично нерозчинні (менше 0,01 г у 100 г води).

Розчинність твердих і рідких речовин відрізняється від розчинності газів за певними термодинамічними параметрами.

Тверді й рідкі речовини після розчинення займають не лише власне об’єм речовини, а об’єм усього розчинника (тобто збільшують свій обєм).

Під час розчинення газів спостерігаємо зворотну ситуацію. За звичайних умов навіть невелика кількість газу масою близько 1 г займає об’єм близько 1 л. А розчинений у воді газ займає набагато менший об’єм. Цим пояснюється те, що в переважної більшості газів розчинність у воді дуже невелика: за температури 0°С та атмосферного тиску в 1 л води розчиняється 50 мл кисню (0,07 г), 23 мл азоту (0,03 г) тощо. Найгірше з газів розчиняється гелій — 9,7 мл (1,7 мг) в 1 л води.

Добре розчиняються лише ті газуваті речовини, що утворюють із водою певні асоціати, здатні до електролітичної дисоціації. Це — гідроген хлорид і амоніак, вуглекислий та сірчистий гази.

Залежність розчинності від температури. Криві розчинності

Розчинність речовин залежить від температури. Для більшості твердих речовин із підвищенням температури розчинність помітно збільшується. Залежність розчинності від температури ілюструють кривими розчинності (мал. 89.1).

Мал. 89.1. Криві розчинності деяких твердих речовин (у г на 100 г води)

Розчинність газуватих речовин, навпаки, із підвищенням температури зменшується (мал. 89.2а). Якщо холодну водопровідну воду нагрівати, не доводячи до кипіння, то на дні й стінках посудини утворяться бульбашки повітря, яке виділяється з води (мал. 89.2б).

Мал. 89.2. а — криві розчинності деяких газів (у мл на 1 л води); б — виділення пухирців повітря на стінках посудини під час нагрівання води

На відміну від рідин і твердих речовин, розчинність газів залежить також від тиску: гази значно краще розчиняються за підвищення тиску. Наприклад, для виготовлення газованих напоїв воду насичують вуглекислим газом за підвищеного тиску, а пляшку герметично закривають. Після відкриття пляшки тиск у ній знижується до атмосферного, розчинність вуглекислого газу зменшується і надлишковий вуглекислий газ починає бурхливо виділятися.

Ненасичені, насичені та пересичені розчини

Розчинення речовин є оборотним процесом:

Між розчинюваною речовиною та розчином установлюється рівновага двох протилежних процесів: розчинення речовини та її кристалізації (або газоутворення у випадку розчинення газів).

Залежно від того, в який бік зміщена ця рівновага, серед розчинів можна виділити три типи:

• насичений розчин — це розчин, що перебуває в стані рівноваги з нерозчиненою речовиною; у такому розчині швидкість процесів розчинення та кристалізації однакові, а вміст розчинюваної речовини максимальний за даної температури;
• у ненасиченому розчині швидкість розчинення більша за швидкість кристалізації, рівновага зміщена в бік розчинення; у таких розчинах уміст розчиненої речовини менший за насичені розчини;
• у пересичених розчинах швидкість розчинення менша за швидкість кристалізації, рівновага зміщена в бік кристалізації; такі розчини термодинамічно нестійкі, оскільки містять розчиненої речовини більше, ніж у насичених розчинах.

Насичений розчин можна виготовити декількома способами. Найпростіший — змішати розчинювану речовину з розчинником і чекати, поки настане рівновага. Але такий спосіб не завжди підходить, оскільки чекати настання рівноваги можна довго і цей стан важко визначити: візуально можна не побачити, розчиняється ще речовина чи її кількість уже не змінюється. Отже, замість насиченого розчину можна одержати майже насичений.

Тому частіше використовують інший спосіб. Спочатку суміш розчинюваної речовини з розчинником нагрівають: у цьому випадку і швидкість розчинення підвищується, і максимальна розчинність збільшується. Гарячий розчин відфільтровують і отримують майже насичений розчин за підвищеної температури. Після цього його повільно охолоджують. Під час охолодження розчинність речовин зменшується, а надлишок розчиненої речовини виділяється у вигляді кристалів. У такому випадку можна бути впевненими, що розчинювана речовина перебуває в рівновазі з дійсно насиченим розчином.

Іноді виділення надлишку розчиненої речовини під час охолодження може і не відбуватися. Утворення кристалів можливе лише на центрах кристалоутворення — на зародках кристалізації. Такими зародками можуть бути малесенькі кристали цієї речовини, пилинки або дефекти на стінках посуду. За відсутності зародків кристалізації в посуді з ідеально гладкими стінками надлишок розчиненої речовини не випадає в осад, а утворюється пересичений розчин.

Пересичений розчин нестабільний, кристалізація надлишків із нього може початися спонтанно: від потрапляння пилу, струшування або тертя чимось о стінки посудини. Але деякі речовини схильні утворювати пересичені розчини, наприклад натрій ацетат, амоній нітрат або натрій тіосульфат. Їхні пересичені розчини можуть існувати тривалий час, що сьогодні використовують для виготовлення так званих сольових грілок (мал. 89.3).

Мал. 89.3. Сольова грілка містить усередині пересичений розчин натрій ацетату. Після натискання на кліпсу всередині починається кристалізація солі й уміст грілки розігрівається майже до 50 °С, що використовують для зігрівання. Під час нагрівання в киплячій воді кристалізована сіль розчиняється, знов утворюючи пересичений розчин, і грілка відновлюється

Цікавий факт

Ще алхіміки сформулювали один із головних принципів, що визначає здатність речовин до розчинення: подібне розчиняється в подібному. Це пояснює, чому деякі речовини розчиняються в одному розчиннику й не розчиняються в іншому. Речовин, які розчинялися б абсолютно в усіх розчинниках, не існує.

Так, полярні речовини добре розчиняються в полярних розчинниках (вода, етанол тощо), гірше — у малополярних (ацетон, ізопропанол тощо) і практично не розчиняються в неполярних (бензен, гексан, хлороформ, етилетаноат тощо). Наприклад, цукор добре розчиняється у воді й узагалі не розчиняється в бензені. І навпаки, неполярні речовини розчиняються в неполярних розчинниках і погано — у полярних. Наприклад, сірка не розчиняється (і навіть не змочується) у воді, але й добре розчиняється в бензені.

Ключова ідея

Хоча вода і не розчиняє всі речовини, але вона справжній універсальний розчинник, якщо порівнювати її з іншими розчинниками.

Запитання та завдання

523. Які розчини називають істинними? Чим вони відрізняються від інших дисперсних систем?

524. Що називають: а) розчинністю речовин; б) коефіцієнтом розчинності?

525. Схарактеризуйте залежність розчинності речовини від температури й тиску.

526. Які розчини називають насиченими? ненасиченими? пересиченими?

527. Обчисліть масову частку та молярну концентрацію нітратної кислоти, якщо її розчин об'ємом 1 л містить 224 г кислоти, а густина розчину 1,12 г/мл.

528. До розчину натрій гідрогенкарбонату масою 200 г із масовою часткою солі 10 % додатково додали натрій гідрогенкарбонат масою 5 г. Обчисліть молярну концентрацію отриманого розчину, якщо його густина дорівнює густині води.

529. Обчисліть молярну концентрацію 30%-го розчину сульфатної кислоти, густина якого 1,22 г/мл.