Общая и неорганическая химия (стр. 12 )

При растворении кристаллов происходит их разрушение, что требует затраты энергии, поэтому растворение должно было бы всегда протекать с поглощением теплоты. Однако, как было ранее отмечено, некоторые вещества, находящиеся в кристаллическом состоянии, растворяются в жидкостях с выделением теплоты. Это позволяет предположить, что одновременно с разрушением кристаллов твёрдого тела при его растворении происходит какое-то химическое взаимодействие между растворителем и растворяемым веществом, и в результате этого взаимодействия энергии выделяется больше, чем её расходуется на разрушение кристаллической решётки.

В настоящее время установлено, что при растворении многих веществ, их молекулы или ионы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами. Процесс взаимодействия растворяющегося вещества с растворителем называется сольватацией. В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а процесс их образования – гидратацией.

Рис. 6.1 – Схема ион-дипольного взаимодействия.

Пример образования гидратированного катиона показан на рис. 6.1. При растворении веществ с ионной

структурой полярные молекулы воды,

являющиеся диполями, удерживаются

около ионов силами электростатического притяжения (ион-дипольное взаимодействие).

Предположение о существовании в водных растворах гидратов было высказано и обосновано в восьмидесятых годах XIX века , который считал, что растворение – не только физический, но и химический процесс.

Гидраты, как правило, – это неустойчивые соединения, во многих случаях разлагающиеся при выпаривании растворов. Но иногда гидраты настолько прочны, что выделяющиеся из раствора кристаллы растворённого вещества содержат определённое количество молекул воды. Этот факт также является подтверждением химизма процессов растворения. Такие вещества, в состав кристаллов которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной. Примеры кристаллогидратов: CuSO4·5H2O, Na2SO4·10H2O, FeSO4·7H2O, Na2CO3·10H2O.

Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Некоторые из них (например, Na2CO3·10H2O) теряют кристаллизационную воду («выветриваются») уже при комнатной температуре. Для обезвоживания других кристаллогидратов (CuSO4·5H2O) требуется более сильное нагревание.

6.2 Способы выражения концентрации растворов

Под концентрацией раствора понимают содержание растворённого вещества в определённом объёме или массе раствора или растворителя. Растворы с большой концентрацией растворённого вещества называются концентрированными, с малой – разбавленными.

Существует много различных способов выражения концентрации растворов. Один из наиболее употребительных в химии и технике способов – это выражение концентрации растворённого вещества в виде массовой доли (процентной концентрации).

Массовая доля (процентная концентрация) показывает, сколько массовых частей растворённого вещества содержится в 100 массовых частях раствора. Если в качестве единицы массы выбрать грамм, то определение массовой доли можно также записать следующим образом: массовая доля (процентная концентрация) показывает, сколько граммов растворённого вещества содержится в 100 граммах раствора.

(6.1 а)

В формуле 6.1 а ω(X) – массовая доля растворённого вещества X;

m(X) – масса растворённого вещества X;

mраствора – масса раствора.

Если в формуле (6.1 а) не использовать множи%, то массовая доля будет выражена не в процентах, а в долях единицы.

(6.1 б)

Понятно, что в этом случае, 30% раствору, например, будет соответствовать массовая доля ω = 0,3 .

Другим важнейшим способом выражения содержания растворённого вещества в растворе является молярная концентрация (молярность). Молярная концентрация показывает, сколько моль растворённого вещества содержится в 1 литре (т. е. 1 дм3) раствора.

(6.2)

В формуле 6.2 C(X) – молярная концентрация вещества X в растворе (моль/л); n(X) – количество растворённого вещества Х (моль);

Vраствора – объём раствора (л).

В технологических регламентах производственных процессов концентрацию растворов очень часто выражают массой растворённого вещества содержащегося в 1 литре раствора. Так, запись «концентрация сульфата натрия в растворе равна 25 г/л» означает, что в 1 литре раствора содержится 25 граммов растворённого Na2SO4.

Пример 6.1 Рассчитать молярную концентрацию 10% раствора ортофосфорной кислоты; плотность раствора 1,1 г/мл.

Массовая доля раствора 10 % означает, что в 100 граммах раствора содержится 10 граммов H3PO4. Следовательно,

Этот же расчёт можно выполнить и другим способом.

При выполнении расчёта вторым способом массовую долю следует выражать не в процентах, а в долях единицы, а плотность в г/л (1 г/мл = 1000 г/л).

6.3 Растворимость

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Количественной мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора. Поэтому растворимость может быть выражена в виде процентной, молярной концентрации растворённого вещества в насыщенном растворе. Очень часто растворимость выражают также числом граммов растворённого вещества, насыщающих 100 граммов растворителя (например, воды).

Растворимость разных веществ в воде может очень сильно различаться. Если в 100 граммах воды растворяется более 10 граммов вещества, то такое вещество считается хорошо растворимым; если растворяется менее 1 грамма вещества – малорастворимым, если менее 0,01 грамма вещества – практически нерастворимым. Следует, отметить, что абсолютно нерастворимых веществ не существует.

Принципы, позволяющие количественно предсказать растворимость вещества, в настоящее время неизвестны. Однако ещё со времён алхимиков известно правило «подобное растворяется в подобном», которое отражает тот факт, что вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типом связи (HCl, NaCl, H2SO4, K2SO4) лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, жидкий аммиак), а неполярные вещества (например, галогены) – в неполярных растворителях (бензол, сероуглерод и т. п.).

Растворение большинства твёрдых тел сопровождается тепловым эффектом: кристалл + растворитель ⇆ раствор ± Q.

Применяя принцип Ле-Шателье к равновесию растворения, легко спрогнозировать, что если вещество растворяется с поглощением тепла, то увеличение температуры приведёт к увеличению растворимости. Если же образование раствора сопровождается выделением тепловой энергии, растворимость с ростом температуры уменьшается.

Растворение газов в воде представляет собой экзотермический процесс, поэтому растворимость газов с повышением температуры уменьшается. Так, кипячением воды можно удалить растворённый в ней воздух, сероводород, аммиак и другие газы.

Если растворимость вещества уменьшается при понижении температуры, то при охлаждении насыщенных растворов избыток растворённого вещества обычно выделяется. Однако, если охлаждение проводить осторожно и медленно, не допуская попадания в раствор твёрдых частиц извне, то выделения избытка растворённого вещества может не произойти. В этом случае образуется раствор, содержащий значительно больше растворённого вещества, чем его требуется для насыщения при данной температуре. Такие растворы называются пересыщенными. В спокойном состоянии они могут длительное время оставаться без изменения. Но при попадании в пересыщенный раствор извне твёрдых частиц растворённого вещества и при встряхивании раствора, весь избыток растворённого вещества быстро выкристаллизовывается.

Л Е К Ц И Я 7

РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ

7.1 Основные положения теории электролитической диссоциации

Теория электролитической диссоциации была разработана в 1887 году шведским учёным С. Аррениусом. Согласно этой теории, существуют вещества, способные в растворах и расплавах распадаться (диссоциировать) на ионы, вследствие чего растворы и расплавы этих веществ проводят электрический ток. Эти вещества были названы электролитами. Электролитами в водных растворах являются кислоты, основания и соли. При растворении электролиты диссоциируют на положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы (анионы). Теория Аррениуса, однако, не учитывала всей сложности явлений в растворах. В частности, она рассматривала ионы как свободные, независимые от молекул растворителя частицы. В настоящее время известно, что при растворении электролитов в воде одновременно с процессом их диссоциации на ионы происходит процесс гидратации ионов.

Протекание процесса диссоциации растворяющихся веществ зависит от их структуры в безводном состоянии. Наиболее типичными являются два случая: диссоциация солей и щелочей (т. е. кристаллов с ионной структурой) и диссоциация кислот (т. е. веществ, состоящих из молекул с полярно-ковалентными связями).