§ 23. Растворение как физико-химический процесс
Гидраты и кристаллогидраты
В ряде случаев в результате физико-химического взаимодействия частиц растворённого вещества с водой образуются соединения — гидраты. Такой процесс называют гидратацией. Молекулы воды при этом не разрушаются, а связываются с молекулами или ионами растворённого вещества.
Гидраты — это продукты присоединения воды к неорганическим и органическим веществам, в которых молекула воды присутствует в виде отдельной структурной единицы.
Многие гидраты легко распадаются, хотя могут образовывать и устойчивые соединения. В ряде случаев после упаривания растворителя и кристаллизации растворённого соединения можно выделить кристаллогидраты.
Большинство кристаллогидратов являются солями. Кристаллогидраты образуются, если в кристаллической решётке катионы связываются с молекулами воды более прочно, чем с анионами в кристаллах безводной соли. Состав кристаллогидрата выражают формулой, указывающей число молекул кристаллизационной воды на одну структурную единицу вещества, например кристаллическая сода Na2CO3 · 10H2O, гипс CaSO4 · 2H2O, медный купорос CuSO4 · 5H2O. С этими кристаллогидратами вы уже знакомы из курсов химии 8-го и 9-го классов.
Иногда кристаллогидраты образуют кислоты (щавелевая, лимонная), основания (KOH · 2H2O, NaOH · H2O, Ba(OH)2 · 8H2O), а также некоторые углеводы (глюкоза) и их производные (сорбит).
Кристаллогидраты — это кристаллические продукты присоединения воды к неорганическим и органическим веществам, имеющие определённый состав и включающие молекулы воды в виде отдельной структурной единицы. Вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной.
Многие кристаллогидраты ярко окрашены. Например, безводный CoCl2 имеет синий цвет. В результате гидратации он превращается в тёмно-розовый кристаллогидрат CoCl2 · 6H2O (рис. 54, а) и поэтому может использоваться в качестве индикатора присутствия воды. Аналогичную роль может играть и сульфат меди(II): безводный CuSO4 — бледно-голубой, кристаллогидрат CuSO4 · 5H2O — ярко-синий (рис. 54, б).
Процесс образования кристаллогидратов используется в строительстве. Так, порошок цемента в основном состоит из смеси безводных кристаллов 3CaO · SiO2 и 2CaO · SiO2. При смешивании цемента с водой протекают процессы гидратации и образования кристаллогидратов 3CaO · SiO2 · 3H2O и 2CaO · SiO2 · 3H2O. При этом пластичный цементный клей, напоминающий по консистенции тесто, затвердевает и превращается в цементный камень.
Молекулы воды в гидратах связываются с молекулами или ионами растворённого вещества за счёт донорно-акцепторного, электростатического взаимодействия или образования водородных связей.
В гидратах молекулы или ионы растворённого вещества оказываются окружёнными более или менее тесно связанными с ними молекулами воды, число которых может меняться.
Гидратную теорию растворов предложил Д. И. Менделеев. Он писал: «Растворы суть химические соединения, определяемые силами, действующими между растворителем и растворённым телом».
Тот факт, что образование растворов в значительной степени является химическим взаимодействием, подтверждается не только выделением или поглощением теплоты при растворении, но и уменьшением объёма раствора в сравнении с исходным суммарным объёмом его компонентов. Например, при смешивании 50 мл этанола с 50 мл воды образуется 97 мл раствора. Раствор при этом немного нагревается.
В таблице 15.1 приведены примеры наиболее распространённых кристаллогидратов.
Таблица 15.1. Формулы, внешний вид и названия кристаллогидратов
| Название кристаллогидрата | Химическая формула | Внешний вид |
|---|---|---|
| Кристаллическая сода, декагидрат карбоната натрия | Na2CO3 · 10H2O |
 |
| Медный купорос, пентагидрат сульфата меди(II) | CuSO4 · 5H2O |
 |
| Железный купорос, гептагидрат сульфата железа(II) | FeSO4 · 7H2O |
 |
| Цинковый купорос, гептагидрат сульфата цинка(II) | ZnSO4 · 7H2O |
 |
| Глауберова соль, декагидрат сульфата натрия | Na2SO4 · 10H2O |
 |
| Гипс, дигидрат сульфата кальция | CaSO4 · 2H2O |
 |