Глава 5. Растворы

Нет на Земле человека, который не видел бы растворов. А что это такое?

Раствор – это однородная смесь из двух или более компонентов (составных частей или веществ).

Что такое однородная смесь? Однородность смеси предполагает, что между составляющими ее веществами отсутствует поверхность раздела. В этом случае невозможно, по крайней мере визуально, определить, сколько веществ образовало данную смесь. Например, глядя на водопроводную воду в стакане, трудно предположить, что в ней, кроме молекул воды, содержится еще добрый десяток ионов и молекул (О₂, СО₂, Са²⁺ и др.). И никакой микроскоп не поможет увидеть эти частицы.

Но отсутствие поверхности раздела – не единственный признак однородности. В однородной смеси состав смеси в любой точке одинаков. Поэтому для получения раствора нужно тщательно перемешать образующие его компоненты (вещества).

Растворы могут иметь разное агрегатное состояние:

• газообразные растворы (например, воздух – смесь газов О₂, N₂, СО₂, Аr);

• жидкие растворы (например, одеколон, сироп, рассол);

• твердые растворы (например, сплавы).

Одно из веществ, которые образуют раствор, называется растворителем. Растворитель имеет то же агрегатное состояние, что и раствор. Так, для жидких растворов – это жидкость: вода, масло, бензин и т.д. Чаще всего на практике применяются водные растворы. О них и пойдет речь далее (если не будет сделана соответствующая оговорка).

Что происходит при растворении различных веществ в воде? Почему одни вещества хорошо растворяются в воде, а другие – плохо? От чего зависит растворимость – способность вещества растворяться в воде?

Представим себе, что в стакан с теплой водой положили кусочек сахара. Полежал он, уменьшился в размерах и... исчез. Куда? Неужели нарушается закон сохранения вещества (его массы, энергии)? Нет. Сделайте глоток полученного раствора, и вы убедитесь, что вода сладкая, сахар не исчез. Но почему его не видно?

Дело в том, что в ходе растворения происходит дробление (измельчение) вещества. В данном случае кусочек сахара распался на молекулы, а их мы видеть не можем. Да, но почему сахар, лежащий на столе, не распадается на молекулы? Почему кусочек маргарина, опущенный в воду, тоже никуда не исчезает? А потому, что дробление растворяемого вещества происходит под действием растворителя, например воды. Но растворитель сможет «растащить» кристалл, твердое вещество на молекулы, если сумеет «уцепиться» за эти частицы. Другими словами, при растворении вещества должно быть взаимодействие между веществом и растворителем.

Когда возможно такое взаимодействие? Только в том случае, когда строение веществ (и растворяемого, и растворителя) похоже, подобно. Издавна известно правило алхимиков: «подобное растворяется в подобном». В наших примерах молекулы сахара полярны и между ними и полярными молекулами воды существуют определенные силы взаимодействия. Такие силы отсутствуют между неполярными молекулами жира и полярными молекулами воды. Поэтому жиры в воде не растворяются. Таким образом, растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя.

В результате взаимодействия между растворяемым веществом и водой образуются соединения – гидраты. Это могут быть очень прочные соединения:

Такие соединения существуют как индивидуальные вещества: основания, кислородсодержащие кислоты. Естественно, при образовании этих соединений возникают прочные химические связи, выделяется теплота. Так при растворении СаО (негашеная известь) в воде выделяется так много теплоты, что смесь закипает.

Но почему при растворении сахара или соли в воде полученный раствор не нагревается? Во-первых, далеко не все гидраты так прочны, как серная кислота или гидроксид кальция. Существуют гидраты солей (кристаллогидраты), которые легко разлагаются при нагревании:

Во-вторых, при растворении, как уже упоминалось, идет процесс дробления. А на это затрачивается энергия, поглощается теплота.

Поскольку оба процесса происходят одновременно, раствор может нагреваться или охлаждаться, в зависимости от того, какой процесс преобладает.

Задание 5.1. Определите, какой процесс – дробление или гидратация – преобладает в каждом случае:

а) при растворении серной кислоты в воде, если раствор нагрелся;

б) при растворении нитрата аммония в воде, если раствор охладился;

в) при растворении поваренной соли в воде, если температура раствора практически не изменилась.

Поскольку при растворении изменяется температура раствора, естественно предположить, что растворимость зависит от температуры. Действительно, растворимость большинства твердых веществ увеличивается при нагревании. Растворимость газов при нагревании уменьшается. Поэтому твердые вещества обычно растворяют в теплой или горячей воде, а газированные напитки хранят на холоде.

Растворимость (способность растворяться) веществ не зависит от измельчения вещества или интенсивности перемешивания. Но, повышая температуру, измельчая вещество, перемешивая готовый раствор, можно ускорить процесс растворения. Изменяя условия получения раствора, можно получать растворы разных составов. Естественно, существует предел, достигнув который, легко обнаружить, что вещество больше не растворяется в воде. Такой раствор называется насыщенным. Для хорошо растворимых веществ насыщенный раствор будет содержать много растворенного вещества. Так, насыщенный раствор KNO₃ при 100 °С содержит 245 г соли на 100 г воды (в 345 г раствора), это концентрированный раствор. Насыщенные растворы плохо растворимых веществ содержат ничтожные массы растворенных соединений. Так, насыщенный раствор хлорида серебра содержит 0,15 мг AgCl в 100 г воды. Это очень разбавленный раствор.

Таким образом, если раствор содержит много растворенного вещества по отношению к растворителю, он называется концентрированным, если вещества мало – разбавленным. Очень часто от состава раствора зависят его свойства, а значит, и применение.

Так, разбавленный раствор уксусной кислоты (столовый уксус) используют как вкусовую приправу, а концентрированный раствор этой кислоты (уксусная эссенция при приеме внутрь) может вызвать смертельный ожог.

Для того чтобы отразить количественный состав растворов, используют величину, называемую массовой долей растворенного вещества :

где m(в-ва) – масса растворенного вещества в растворе; m(р-ра) – общая масса раствора, содержащая растворенное вещество и растворитель.

Так, если 100 г уксуса содержат 6 г уксусной кислоты, то речь идет о 6%-м растворе уксусной кислоты (это столовый уксус). Способы решения задач с использованием понятия массовой доли растворенного вещества будут рассмотрены в главе 8.

Выводы по главе 5. Растворы – это однородные смеси, состоящие не менее чем из двух веществ, одно их которых называется растворитель, другое – растворенное вещество. При растворении происходит взаимодействие этого вещества с растворителем, благодаря чему растворяемое вещество измельчается. Состав раствора выражают при помощи массовой доли растворенного вещества в растворе.

* Эти электронные пары возникают в месте пересечения электронных облаков.