§ 23. Растворение как физико-химический процесс
Растворимость веществ в воде
![ul](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5844/mod_book/chapter/17905/icon_increased.jpg)
Как правило, хорошо растворяются друг в друге подобные по физическим и химическим свойствам вещества, то есть действует эмпирическое правило «подобное растворяется в подобном». Например, вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типом химической связи хорошо растворяются в полярных растворителях (вода, этанол). Неполярные вещества хорошо растворяются в неполярных растворителях (бензол, толуол).
Нерастворимые газы (например, He, Ne, H2, N2, CO) имеют растворимость менее 2 см3/100 г воды. Нерастворимыми в воде являются многие твёрдые вещества: оксиды (например, CuO, ZnO, Fe2O3, Cr2O3, Al2O3, SiO2), приведённые в таблице растворимости со знаком Н, а также соли и основания. Нерастворимы в воде жидкие и твёрдые алканы и циклоалканы.
К малорастворимым в воде (в таблице растворимости отмечены М) относятся твёрдые вещества: Ca(OH)2, LiF, BaF2, MgCO3, Li3PO4, жидкие: бензол, толуол, CCl4, CHCl3, CH2Cl2, газы: Ar, Kr, Xe, O2, NO, N2O, газообразные алканы и алкены.
Растворимыми в воде веществами (в таблице растворимости отмечены Р) являются:
- твёрдые: моно- и дисахариды, все нитраты, ацетаты и формиаты; соли, образованные ионами
, K+, Na+, Rb+, Cs+; H3PO4; большинство аминокислот;
- жидкие: первые члены гомологических рядов спиртов, карбоновых кислот, сложных эфиров, аминов и альдегидов;
- газообразные: Cl2, галогеноводороды, SO2, H2S, CO2, HC≡CH, H2C=O (метаналь).
Растворяя вещество в воде, можно получить насыщенные и ненасыщенные растворы.
Насыщенным называют такой раствор, в котором при заданной температуре вещество больше не растворяется. Соответственно, в ненасыщенном растворе можно растворить дополнительное количество вещества.
Именно к насыщенным растворам относится количественная характеристика способности вещества к растворению, или растворимость. Растворимость измеряют, определяя содержание растворённого вещества в его насыщенном растворе при заданной температуре.
Наиболее часто используют численную характеристику — растворимость (s). Растворимость численно равна максимальной массе вещества, способного при данной температуре раствориться в 100 г растворителя. Так, s10(KNO3) равна 21 г/100 г воды при 10 °С.
Растворимость газа определяют как максимальный объём газа (V, см3), растворяющегося в 100 г растворителя при заданных температуре и давлении. Часто используют такую единицу измерения, как количество объёмов растворённого газа на один объём воды.
Растворимость нередко измеряют и в других величинах, указывая массовую долю или молярную концентрацию растворённого вещества в насыщенном растворе. Эти же величины применяют для количественного выражения состава ненасыщенных растворов. К этим величинам вы обратитесь, изучая материал следующего параграфа.
Как вам уже известно, вещества по растворимости в воде условно делят на три группы (см. второй форзац). Вещество считают растворимым, если при 20 °С растворяется более 1 г вещества в 100 г воды или 100 см3 в 100 г воды в случае газов. Вещество малорастворимо, если его растворимость находится в пределах от 0,01 до 1 г в 100 г воды, и практически нерастворимо при растворимости менее 0,01 г в 100 г воды.
Концентрированные растворы содержат много растворённого вещества, а в разбавленных растворах концентрация растворённого вещества мала. Деление растворов на концентрированные и разбавленные условно. Оно не связано с делением на насыщенные и ненасыщенные растворы. Например, насыщенный раствор BaSO4 содержит 0,0002448 г соли на 100 г воды при 20 °С. Значит, это очень разбавленный раствор. Насыщенный раствор KOH содержит 112 г/100 г воды. Если растворить 80 г KOH в 100 г воды, то получим концентрированный, но ненасыщенный раствор.
Растворимость твёрдых и жидких веществ зависит от их природы и температуры раствора. С увеличением температуры растворимость большинства твёрдых веществ и жидкостей заметно возрастает (рис. 51). При охлаждении, соответственно, растворимость уменьшается и часть вещества выпадает в виде осадка — кристаллизуется.
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5844/mod_book/chapter/17905/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%2051.%20%D0%97%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D1%82%D0%B2%D1%91%D1%80%D0%B4%D1%8B%D1%85%20%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%20%D0%BE%D1%82%20%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B.jpg)
Кристаллизация играет огромную роль в природе: она приводит к образованию многих минералов, например галита (NaCl), сильвина (KCl), сталактитов и сталагмитов (СаСО3). В промышленности методом кристаллизации выращивают крупные кристаллы NaCl, LiF для оптических приборов, кристаллы SiO2 для ультразвуковых генераторов, микрофонов и др.
Растворимость газов в воде зависит от их природы, температуры и давления (рис. 52, 53).
![#](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5844/mod_book/chapter/17905/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%2052.%20%D0%97%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%20%D0%B2%20%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B5%20%D0%BE%D1%82%20%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D1%8B.jpg)
газообразных веществ в воде
от температуры
![#](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5844/mod_book/chapter/17905/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%2053.%20%D0%97%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D1%81%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C%20%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8%20%D1%83%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%B0%20%D0%B2%20%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%B5%20%D0%BE%D1%82%20%D0%B4%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F.jpg)
углекислого газа в воде от давления
При растворении газов выделяется теплота. При повышении температуры их растворимость понижается. При увеличении давления растворимость газа повышается. Поэтому, указывая растворимость газа в воде при заданной температуре, имеют в виду растворимость при его давлении 1 атм или 101,325 кПа.
Некоторые жидкости, такие как H2SO4, HNO3, HF (tкип. = 19,5 °C), CH3COOH, HCOOH, CH3OH, C2H5OH, этиленгликоль, глицерин, ацетон, смешиваются с водой в любых соотношениях, поэтому говорят об их неограниченной растворимости.
![ul](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5844/mod_book/chapter/17905/icon_increased.jpg)
![img](http://profil.adu.by/pluginfile.php/5844/mod_book/chapter/17905/%D0%A0%D0%B8%D1%81.%2056.1.%20%D0%9A%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%20%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE%20%D0%BA%D1%83%D0%BF%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%B0%20CuSO4%20%E2%80%A2%205H2O%20%D0%B2%20%D0%B5%D0%B3%D0%BE%20%D0%BD%D0%B0%D1%81%D1%8B%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D0%BC%20%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%B5.jpg)
По кривым растворимости, примеры которых представлены на рисунках 51−53, можно провести различные расчёты. Так, можно определить массу вещества, которое выпадает в осадок из насыщенного раствора при его охлаждении. Например, по кривой растворимости видно, что если приготовить насыщенный при 70 °C раствор нитрата калия в 100 г воды, а затем охладить этот раствор до 30 °С, то из него выпадет соль массой 140 – 50 = 90 г.
Повторная кристаллизация соединений из их насыщенного раствора путём его охлаждения или упаривания части растворителя называется перекристаллизацией и лежит в основе метода очистки твёрдых веществ. В процессе перекристаллизации растворимые примеси обычно остаются в растворе и в осадок не выпадают, поскольку образуют ненасыщенный раствор.
Если в насыщенный раствор вещества поместить его маленький кристаллик, то по мере испарения растворителя на поверхности этого кристаллика будет осаждаться растворённое вещество и образуется большой однородный кристалл (рис. 53.1).