Розчини й розчинність
Якщо в посудину з водою помістити кристали кухонної солі, цукру або перманганату калію (марганцівки), то ми можемо спостерігати, як кількість речовини поступово зменшується. При цьому вода, в яку були додані кристали, набуває нових властивостей: у неї з'являється солоний або солодкий смак (у разі марганцівки з'являється малинова забарвлення), змінюється щільність, температура замерзання і т.д. Отримані рідини вже не можна назвати водою, навіть якщо вони не відрізняються від води за зовнішнім виглядом (як у випадку з сіллю і цукром). Це - розчини.
Розчини - однорідна багатокомпонентна система, що складається з розчинника, розчинених речовин і продуктів їх взаємодії.
Розчини нічого не відстоюються і збережуться весь час однорідними. Якщо розчин профільтрувати через самий щільний фільтр, то ні сіль, ні цукор, ні марганцевокислого калію не вдається відокремити від води. Отже, ці речовини в воді роздроблені до найбільш дрібних частинок - молекул. Молекули можуть знову зібратися в кристали тільки тоді, коли ми випарується воду. Таким чином, розчини - це молекулярні суміші.
По агрегатному стані розчини можуть бути рідкими (морська вода), газоподібними (повітря) або твердими (багато сплави металів). Розміри частинок в істинних розчинах - менше 10-9 м (порядку розмірів молекул).
Будь розчин складається з розчинника і розчиненої речовини. У наведених прикладах розчинником є вода. Але не завжди обов'язково вода є розчинником. Наприклад, можна отримати розчин води в сірчаної кислоти. Тут розчинником буде кислота. Можна приготувати і розчини кислоти у воді.
З двох або кількох компонентів розчину розчинником є той, який взятий в більшій кількості і має той же агрегатний стан, що і розчин в цілому.
** Існують розчини не тільки рідкі, але і газові і навіть тверді. Наприклад, повітря - розчин кисню і ще декількох газів в азоті. Сплави металів є тверді розчини металів один в одному. Гази, як ми вже знаємо, здатні розчинятися у воді.
Давайте розберемося в тому, як відбувається розчинення речовин. Для цього поспостерігаємо, як розчиняється доданий в чай цукор. Якщо чай холодний, то цукор розчиняється повільно. Навпаки, якщо чай гарячий і розмішується ложечкою, то розчинення відбувається швидко.
Потрапляючи в воду, молекули цукру, що знаходяться на поверхні кристалів цукрового піску, утворюють з молекулами води донорно-акцепторні (водневі) зв'язку. При цьому з одного молекулою цукру зв'язується кілька молекул води. Тепловий рух молекул води змушує пов'язані з ними молекули цукру відриватися від кристала і переходити в товщу молекул розчинника (рис. 7-2).
Молекули цукру, що перейшли з кристала в розчин, можуть пересуватися по всьому об'єму розчину разом з молекулами води завдяки тепловому руху. Це явище називається дифузією. Дифузія відбувається повільно, тому біля поверхні кристалів знаходиться надлишок вже відірваних від кристала, але ще не дифундувати в розчин молекул цукру.
Вони заважають новим молекулам води підійти до поверхні кристала, щоб зв'язатися з його молекулами водневими зв'язками. Якщо розчин перемішувати, то дифузія відбувається інтенсивніше і розчинення цукру йде швидше. Молекули цукру розподіляються рівномірно і розчин стає однаково солодким по всьому об'єму.
Кількість молекул, здатних перейти в розчин, часто обмежена. Молекули речовини не тільки залишають кристал, але і знову приєднуються до кристалу з розчину. Поки кристалів відносно небагато, більше молекул переходить в розчин, ніж повертається з нього - йде розчинення. Але якщо розчинник знаходиться в контакті з великою кількістю кристалів, то число йдуть і повертаються молекул стає однаковим і для зовнішнього спостерігача розчинення припиняється.
Ненасичені, насичені і перенасичені розчини Якщо молекулярні або іонні частинки, розподілені в рідкому розчині присутні в ньому в такій кількості, що за даних умов не відбувається подальшого розчинення речовини, розчин називається насиченим. (Наприклад, якщо помістити 50 г NaCl в 100 г H2O, то при 20ºC розчиниться тільки 36 г солі).
Насиченим називається розчин, який знаходиться в динамічній рівновазі з надлишком розчиненої речовини.
Помістивши в 100 г води при 20ºC менше 36 г NaCl ми отримаємо ненасичений розчин.
При нагріванні суміші солі з водою до 100 # 61616; C відбудеться розчинення 39,8 г NaCl в 100 г води. Якщо тепер видалити з розчину нерастворим сіль, а розчин обережно охолодити до 20ºC, надмірна кількість солі не завжди випадає в осад. У цьому випадку ми маємо справу з перенасиченим розчином. Перенасичені розчини дуже нестійкі. Помішування, струшування, додавання крупинок солі може викликати кристалізацію надлишку солі і перехід в насичене стійкий стан.
Ненасиченийрозчин - розчин, що містить менше речовини, ніж в насиченому.
Перенасичений розчин - розчин, що містить більше речовини, ніж в насиченому.
Розчинення як фізико-хімічний процес
Розчини утворюються при взаємодії розчинника і розчиненої речовини. Процес взаємодії розчинника і розчиненої речовини називається сольватацией (якщо розчинником є вода - гідратацією).
Розчинення протікає з утворенням різних за формою і міцності продуктів - гідратів. При цьому беруть участь сили як фізичної, так і хімічної природи. Процес розчинення внаслідок такого роду взаємодій компонентів супроводжується різними тепловими явищами.
Енергетичної характеристикою розчинення є теплота утворення розчину, що розглядається як алгебраїчна сума теплових ефектів всіх ендо- та екзотермічних стадій процесу. Найбільш значними серед них є:
- поглинають тепло процеси - руйнування кристалічної решітки, розриви хімічних зв'язків в молекулах;
- виділяють тепло процеси - утворення продуктів взаємодії розчиненої речовини з розчинником (гідрати) і ін.
Якщо енергія руйнування кристалічної решітки менше енергії гідратації розчиненої речовини, то розчинення йде з виділенням теплоти (спостерігається розігрівання). Так, розчинення NaOH - екзотермічний процес: на руйнування кристалічної решітки витрачається 884 кДж / моль, а при утворенні гідратованих іонів Na + і OH- виділяється відповідно 422 і 510 кДж / моль.
Якщо енергія кристалічної решітки більше енергії гідратації, то розчинення протікає з поглинанням теплоти (при приготуванні водного розчину NH4NO3 спостерігається зниження температури).