1. Растворы и их особенности

Если в сосуд с водой поместить кристаллы поваренной соли, сахара или перманганата калия (марганцовки), то мы можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. При этом вода, в которую были добавлены кристаллы, приобретает новые свойства: у нее появляется соленый или сладкий вкус (в случае марганцовки появляется малиновая окраска), изменяется плотность, температура замерзания и т.д. Полученные жидкости уже нельзя назвать водой, даже если они неотличимы от воды по внешнему виду (как в случае с солью и сахаром). Это – растворы. Растворы не отстаиваются и сохранятся все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцевокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул. Молекулы могут опять собраться в кристаллы только тогда, когда мы выпарим воду. Таким образом, растворы – это молекулярные смеси.

Растворами называются однородные молекулярные смеси из двух или более веществ.

Растворы играют большую роль в природе и практической деятельности человека. Почвообразовательные процессы, формирование геологических пород, физиологические процессы в растительном и животном мире, процессы технологического типа в различных производствах в основном протекают в растворах.

Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. В приведенных примерах растворителем является вода. Но не всегда обязательно вода является растворителем. Например, можно получить раствор воды в серной кислоте. Здесь растворителем будет кислота. Можно приготовить и растворы кислоты в воде.

Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом.

Существуют растворы не только жидкие, но и газовые и даже твердые. Например, воздух – раствор кислорода и еще нескольких газов в азоте. Сплавы металлов представляют собой твердые растворы металлов друг в друге. Газы, как мы уже знаем, способны растворяться в воде.

Для газов, взаимодействие между молекулами которых мало, свойственно отсутствие определенной структуры и хаотичность движения молекул смешиваемых веществ. Газовые растворы при обычных давлениях и температурах принято рассматривать как механическую смесь, каждый компонент которой сохраняет свои индивидуальные физические и химические свойства. При значительных температурах плотность газов становится сравнимой с плотностью жидкостей, а газовые смеси по своим свойствам приближаются к растворам. Например, воздух можно считать раствором при значительном давлении, когда его состояние приближается к жидкому.

И все же жидкие растворы являются самым широко распространенным типом растворов, к данному типу относятся все природные воды.

Чтобы понять механизм растворения понаблюдаем, как растворяется добавленный в чай сахар. Если чай холодный, то сахар растворяется медленно. Наоборот, если чай горячий и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро.

Попадая в воду, молекулы сахара, находящиеся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды донорно-акцепторные (водородные) связи. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя (рис. 7-2).

Рис. 7-2. Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки). Между молекулами сахара и воды возникают водородные связи, благодаря которым молекулы сахара отрываются от поверхности кристалла. Молекулы воды, не связанные с молекулами сахара, на рисунке не показаны.

Молекулы сахара, перешедшие из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря тепловому движению. Это явление называется диффузией. Диффузия происходит медленно, поэтому около поверхности кристаллов находится избыток уже оторванных от кристалла, но еще не диффундировавших в раствор молекул сахара.

Они мешают новым молекулам воды подойти к поверхности кристалла, чтобы связаться с его молекулами водородными связями. Если раствор перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно и раствор становится одинаково сладким по всему объему.

Растворение – это самопроизвольный процесс, сопровождающийся уменьшением внутренней энергии вещества.

Количество молекул, способных перейти в раствор, часто ограничено. Молекулы вещества не только покидают кристалл, но и вновь присоединяются к кристаллу из раствора. Пока кристаллов относительно немного, больше молекул переходит в раствор, чем возвращается из него – идет растворение. Но если растворитель находится в контакте с большим количеством кристаллов, то число уходящих и возвращающихся молекул становится одинаковым и для внешнего наблюдателя растворение прекращается. Это означает, что внутренняя энергия системы растворитель-растворяющееся вещество становиться минимальной, наступает равновесие, т.е. скорость растворения равна скорости кристаллизации растворенного вещества. Например, при комнатной температуре мы не можем растворить в 100 мл воды более 200 г сахара или более 35,9 г поваренной соли. В таких случаях говорят, что раствор стал насыщенным.

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже больше не растворяется, называется НАСЫЩЕННЫМ.

В насыщенном растворе при данной температуре содержится максимально возможное количество растворенного вещества. В реальном растворе, где есть тепловое движение молекул, молекулы продолжают “трудиться”, транспортируя частицы растворенного вещества из кристалла в раствор и обратно. Такое состояние называется ДИНАМИЧЕСКИМ равновесием (равновесием в движении). В связи с этим можно дополнить определение насыщенного раствора: Насыщенным называется такой раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества.

Следовательно, никакое самое сильное перемешивание не помогает растворить в насыщенном растворе дополнительные порции вещества. Однако, если повысить температуру, то раствор вновь может стать ненасыщенным и растворить еще определенную порцию кристаллов.

Ненасыщенными растворами называют такие, в которых растворенного вещества меньше чем в насыщенных.

Мы говорим: "сахар растворяется в воде хорошо" или "мел плохо растворяется в воде". Но можно и количественно оценить способность того или иного вещества к растворению или, другими словами, растворимость вещества. Растворимость характеризует концентрацию насыщенного раствора вещества в данном растворителе.

РАСТВОРИМОСТЬЮ называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.

Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым. Если растворяется менее 1 г вещества – вещество малорастворимо. Наконец, вещество считают практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает. Даже когда мы наливаем воду в стеклянный сосуд, очень небольшая часть молекул стекла неизбежно переходит в раствор.

Растворимость, выраженная при помощи массы вещества, которое может раствориться в 100 г воды при данной температуре, называют также коэффициентом растворимости. Тогда если растворимость (r ) больше 10, то вещество считается хорошо растворимым. Если растворимость лежит в пределах от 1 до 10, то вещество считается растворимым. В том случае, если коэффициент растворимости меньше 0,1 , вещество считается практически нерастворимым. Можно сказать, что коэффициент растворимости равен отношению массы растворенного вещества к объему растворителя при условии получения насыщенного раствора. Существуют и другие способы количественного выражения содержания растворенного вещества в растворе. Широко применяются такие величины как массовая доля и молярная концентрация.

Массовая доля – это отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора, выраженное в процентах. Молярная концентрация – это отношение количества растворенного вещества в молях к объему раствора. Размерность молярной концентрации имеет вид [С]= моль/л.

В целом растворимость разных веществ определяется многими сложными причинами, некоторые из которых до сих пор не ясны. Поэтому трудно предсказать растворимость какого-либо вещества по его химической формуле или агрегатному состоянию. Чаще всего растворимость определяется тремя основными факторами: природой вещества; его агрегатным состоянием; внешними условиями протекания процесса растворения.

В качестве примера приведем растворимость (в граммах вещества на 100 г воды при комнатной температуре) нескольких веществ: твердых, жидких и газообразных, среди которых многие имеют похожие химические формулы (таблица 7-2).

Таблица 7-2. Растворимость некоторых веществ в воде при комнатной температуре.

Растворимость большинства (но не всех!) твердых веществ с увеличением температуры увеличивается, а растворимость газов, наоборот, уменьшается. Это связано, прежде всего, с тем, что молекулы газов при тепловом движении способны покидать раствор гораздо легче, чем молекулы твердых веществ. Если измерять растворимость веществ при разных температурах, то обнаружится, что одни вещества заметно меняют свою растворимость в зависимости от температуры, а другие – не очень сильно (см. табл. 7-3).

Таблица 7-3. Влияние температуры на растворимость некоторых твердых веществ. В таблице приведена растворимость в г/100 г воды.

Если полученные в опытах значения нанести на оси координат, то получаются так называемые кривые растворимости различных веществ (рис. 7-3). Эти кривые имеют практическое значение. По ним легко узнать, сколько вещества (например, KNO₃) выпадет в осадок при охлаждении до 20 С насыщенного раствора, приготовленного при 80° С.

Рис. 7-3. Кривые растворимости твердых (а) и газообразных (б) веществ.

С помощью таких операций очищают вещества. Дело в том, что при охлаждении ненасыщенного раствора образуется насыщенный раствор, но насыщенный по основному веществу, которого больше всего, а не по примесям. Поэтому при охлаждении в осадок выпадает только чистое вещество, а примеси (вместе с частью вещества) остаются в растворе. Чистые кристаллы отфильтровывают от охлажденного, загрязненного примесями раствора. Этот способ очистки называется ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ. Так очищают, например, многие лекарственные препараты.

Давление не оказывает заметного влияния на растворимость твердых веществ, потому что при растворении не происходит заметного изменения объема системы. Зато увеличение давления повышает растворимость газов. В этом можно убедиться, открыв бутылку с минеральной водой, в которой углекислый газ растворяют под давлением. Как только бутылку открывают, давление в ней падает и тут же уменьшается растворимость газа, который начинает выделяться из раствора в виде пузырьков.

Когда молекулы растворенного вещества связываются с молекулами воды, то получаются, строго говоря, новые химические соединения. Эти молекулярные агрегаты не имеют постоянного состава и поэтому не являются теми химическими соединениями, которые мы привыкли выражать формулами. Их общее название – гидраты. Процесс связывания веществ с водой называется гидратацией.

Поскольку образование водородных и других связей энергетически выгодно (для растворимых веществ), гидратация сопровождается выделением энергии. Часть этой энергии расходуется на разрушение кристаллической решетки, а ее избыток может выделяться в виде тепла. Например, растворение твердого гидроксида натрия NaOH сопровождается сильным разогревом раствора.

Если на разрушение кристаллической решетки тратится больше энергии, чем образуется при получении гидратов, то раствор может охлаждаться. Например, если в стакан с водой поместить твердый нитрат аммония NH₄NO₃ и поставить стакан на влажный картон, то картон примерзает к стакану – настолько низко падает температура раствора.

Молекулы воды из гидратной оболочки иногда могут вступать в химическую реакцию с растворенным веществом, образуя уже настоящее химическое соединение с постоянным составом, которые можно выделить из раствора, осторожно выпаривая воду. Эти соединения называются кристаллогидратами.

Кристаллогидрат (медный купорос) CuSO₄^.5H₂O часто используется в бытовой деятельности человека.

Приведенные факты говорят о том, что растворение не является чисто физическим явлением, хотя и можно вернуть растворенное вещество в неизменном виде путем выпаривания растворителя. Казалось бы – нет изменения вещества – нет и химических превращений. На самом деле при выпаривании растворов происходит разрушение гидратов (реакция разложения) и вновь образуется кристаллическое вещество. Таким образом, и растворение вещества и выпаривание раствора имеют признаки химических реакций.

Главное, что в самом растворе вещество находится в качественно новом состоянии – в виде гидратов. Поэтому растворение следует считать не физическим, а физико-химическим процессом. С этой точки зрения более полным определением раствора является следующее: Растворами называют термодинамически устойчивые физико-химические однородные (однофазные) смеси переменного состава, состоящие из двух или нескольких веществ и продуктов их взаимодействия.

Научное представление о природе растворов было сформулировано в 80-е годы XIX столетия русским химиком Д.И. Менделеевым. Оно состоит в том, что растворы – это смеси непрочных соединений, находящихся в состоянии частичной диссоциации. Дальнейшее развитие теории растворов привело к появлению понятий сольватации и гидратации. Термин «сольватация» в переводе с латыни solve – раствор, означает совокупность процессов, протекающих при растворении одного (или нескольких) вещества в другом. Растворение веществ в воде получило название гидратации. Как результат гидратации возникают гидраты, а сольватации – сольваты.

Механизм образования сольватов зависит от химической природы растворенного вещества и растворителя. Если растворенные вещества обладают ионной структурой молекул, то удержание молекул растворителя осуществляется на основе ион-дипольного или донорно-акцепторного взаимодействия. В случае веществ с молекулярной структурой сольваты образуются за счет диполь-дипольного взаимодействия.

Возникновение растворов с определенной кристаллической структурой, когда каждой молекуле растворенного вещества соответствует определенное количество молекул воды, подтверждает реальность указанных механизмов. Гидраты чаще всего являются нестойкими соединениями, однако кристаллизационная вода в них удерживается очень прочно. Для ее удаления прибегают к прокаливанию вещества.