Підручник з Хімії. 9 клас. Григорович - Нова програма

§ 4. Будова молекули води. Розчинення речовин у воді. Кристалогідрати

Пригадайте:

• хімічні сполуки мають сталий склад, який записують хімічною формулою; число атомів елемента в молекулі або формульній одиниці вказують індексом, число окремих атомів, молекул або формульних одиниць указують коефіцієнтом;

• на відміну від хімічних сполук розчини й інші суміші не мають сталого складу;

• термін «формульна одиниця» застосовують замість терміна «молекула» для речовин йонної або атомної будови.

Вода — полярний розчинник

Вода — найпоширеніший розчинник у природі. У молекулі води між атомами Оксигену й Гідрогену існує ковалентний полярний зв’язок, завдяки чому на атомі Оксигену з’являється певний негативний електричний заряд, а на атомах Гідрогену — позитивний (мал. 4.1). Отже, молекула води з боку атома Оксигену заряджена негативно, а з боку Гідрогену — позитивно. Частинку, в якій на різних її кінцях існують полюси зарядів, називають диполем. Молекула води є диполем, який можна умовно представити еліпсом, як на малюнку 4.2. Завдяки такому розподіленню електричних зарядів молекула води є полярною, а воду називають полярним розчинником, причому серед усіх відомих розчинників вода є найбільш полярним.

Мал. 4.1. Модель молекули води

Мал. 4.2. Молекула води є диполем

Розчинення речовин у воді

Розглянемо процес розчинення у воді солі — речовини йонної будови. У разі потрапляння кристала солі у воду молекули води орієнтуються навколо заряджених йонів: до позитивно заряджених йонів молекули притягуються негативним полюсом, а до негативних йонів — позитивним полюсом (мал. 4.3). Молекули води починають притягувати йони до себе. Коли сила притягання йонів до молекул води стає більшою за силу, що утримує йони між собою, йон в оточенні молекул води переходить у розчин. Молекули води, що оточують йони в розчині, називають гідратною оболонкою, а самі йони, оточені молекулами води, — гідратами. Подібним чином розчиняються у воді й молекулярні речовини.

Мал. 4.3. Розчинення йонного кристала у воді

У процесі розчинення речовин можна виділити три стадії:

1) взаємодія частинок речовини з молекулами розчинника — гідратація;

2) руйнування структури речовини (кристалічних ґраток);

3) розподілення гідратованих частинок у розчиннику — дифузія (мал. 4.4).

Мал. 4.4. Дифузія калій перманганату у воді

Теплові явища під час розчинення

Під час утворення гідратів теплота виділяється завдяки утворенню нових міжмолекулярних зв’язків між частинками, а під час стадії руйнування кристала — поглинається: енергія витрачається на руйнування зв’язків між частинками в кристалі.

Залежно від сукупності теплових ефектів на двох стадіях процес розчинення відбувається з поглинанням або виділенням теплоти (Q):

• якщо під час гідратації енергії виділяється більше, ніж витрачається на руйнування кристалічних ґраток, то під час розчинення речовини теплота виділяється і розчин нагрівається;

• якщо на руйнування кристала витрачається енергії більше, ніж виділяється під час гідратації, то розчин охолоджується.

У більшості випадків під час розчинення речовини у воді виділення або поглинання теплоти відбувається непомітно, оскільки зазвичай ми розчиняємо невеликі порції речовин. Температура такого розчину якщо і змінюється, то лише на декілька градусів, що важко помітити без термометра. Але іноді теплові ефекти добре помітні. Так, під час розчинення концентрованої сульфатної кислоти у воді виділяється настільки багато теплоти, що вода може закипіти. Під час розчинення деяких солей, наприклад амоній нітрату, розчин значно охолоджується, поверхня склянки покривається крапельками води й може примерзнути до столу (мал. 4.5).

Мал. 4.5. Поглинання теплоти під час розчинення

Процес розчинення певною мірою можна назвати і фізичним, і хімічним. З одного боку, під час розчинення речовини відбувається її подрібнення, що є ознакою фізичного процесу. З іншого боку, під час розчинення обов’язково відбувається поглинання або виділення теплоти, а в деяких випадках навіть утворюються нові речовини, що є ознакою хімічного процесу. Утім, процес розчинення не відносять ні до того, ні до іншого, а називають його фізико-хімічним процесом.

Як швидше розчинити речовину?

Розчинення речовини прискорюється, якщо:

• подрібнити речовину;

• перемішувати розчин;

• підігріти розчинник.

Знаючи, як відбувається розчинення речовини, ми можемо припустити, як прискорити цей процес. На швидкість розчинення, по-перше, впливає ступінь подрібнення речовин: чим дрібніші кристали, тим більша площа зіткнення між речовиною та розчинником і речовина розчиняється швидше.

По-друге, на швидкість розчинення впливає перемішування: процес дифузії є досить тривалим, а в разі перемішування вже гідратовані частинки не скупчуються навколо кристала, а віддаляються від нього, звільняючи місце для ще не сполучених молекул розчинника.

По-третє, на швидкість розчинення впливає температура розчину. Вам відомо, що в гарячій воді цукор розчиняється значно швидше, ніж у холодній. Це пов’язано з тим, що в гарячому розчиннику швидкість дифузії значно більша. Також суттєвим є те, що за підвищення температури молекули або йони в кристалічних ґратках коливаються швидше, і це полегшує руйнування кристалічних ґраток речовини.

Кристалогідрати

У складі деяких солей іноді містяться молекули води. Наприклад, мідний купорос (мал. 4.6) — це кристалічна речовина, що складається з купрум(ІІ) сульфату й води. Але на відміну від розчину купрум(ІІ) сульфату, у якому співвідношення солі й води може бути будь-яким, у мідному купоросі на кожну формульну одиницю купрум(ІІ) сульфату припадає п’ять молекул води. Це істотно відрізняє мідний купорос від розчину купрум(ІІ) сульфату. Отже, мідний купорос — це індивідуальна хімічна сполука з певною хімічною формулою, а не механічна суміш двох речовин.

Мал. 4.6. Кристалогідрати

Речовин, у складі яких, крім солей, міститься вода, існує доволі багато, усі вони мають кристалічну будову, тому їх називають кристалогідратами. Воду, що міститься у складі кристалогідратів, називають кристалізаційною.

Кристалогідрати — це нестійкі кристалічні речовини, що складаються із солі та кристалізаційної води в певному стехіометричному співвідношенні.

Оскільки кристалогідрати мають певний сталий склад, його можна описати хімічною формулою. Наприклад, склад мідного купоросу записують так: CuSO₄ · 5H₂O. За сучасною номенклатурою мідний купорос має назву купрум(II) сульфат пентагідрат, а його формулу зазвичай вимовляють так: купрум ес о чотири на п’ять молекул води.

Більшість кристалогідратів яскраво забарвлені та мають власні традиційні назви (мал. 4.6).

Зазвичай кристалогідрати є нестійкими сполуками, які під час нагрівання легко втрачають кристалізаційну воду, перетворюючись на звичайні безводні солі. Так, під час прожарювання мідного купоросу сині кристали перетворюються на білий порошок безводного купрум(ІІ) сульфату (мал. 4.7, а, с. 30):

Під час зберігання безводних солей у негерметичних посудинах вони поглинають воду з повітря й перетворюються на кристалогідрати (мал. 4.7, б). Більшість ґрунтів, порід і мінералів являють собою кристалогідрати різних сполук.

Мал. 4.7. Зміна кольору мідного купоросу: а — у разі втрачання води під час прожарювання; б — у разі додавання води до безводної солі

Лінгвістична задача

Вам із 7 класу відоме поняття «гідрат», що означає «продукт приєднання води».

Що спільного й чим відрізняються поняття «гідрат» і «кристалогідрат»?

Ключова ідея

Вода — полярний розчинник і добре розчиняє інші полярні речовини. В істинних розчинах речовини існують у вигляді гідратів — окремих йонів або молекул, оточених молекулами води.

Контрольні запитання

42. Чому молекула води є полярною? Які частинки називають диполями?

43. Опишіть процес розчинення речовин у воді.

44. Чому під час розчинення речовин поглинається або виділяється теплота? Від чого це залежить?

45 До яких процесів — фізичних чи хімічних — належить процес розчинення? Відповідь поясніть.

46. Які чинники і як впливають на швидкість розчинення речовин? Які умови необхідно створити для прискорення розчинення?

47. Чи можна виділити кристалізаційну воду з кристалогідратів? Яким чином?

Завдання для засвоєння матеріалу

48. Як відрізнити кристалогідрат від безводної солі?

49. Складіть рівняння реакцій, що відбуваються під час прожарювання глауберової солі та кристалічної соди.

50. Магній сульфат утворює кристалогідрат, що також називають англійською сіллю. Учень розчинив англійську сіль масою 1,23 г у воді й додавав розчин барій хлориду до завершення процесу утворення осаду. Маса осаду виявилася 1,165 г. Визначте склад англійської солі.

51. Визначте формулу кристалогідрату натрій карбонату, якщо відомо, що під час прожарювання цієї речовини масою 14,3 г її маса зменшилася на 9 г.

52. У народних казках трапляється ситуація, коли герой вичавлює воду з каменя. Чи можливо таке з хімічної точки зору?

53. Як ви вважаєте, чи відрізняється механізм розчинення молекулярних і йонних речовин? Речовини з яким типом зв'язку краще розчиняються у воді? Відповідь обґрунтуйте.