Способность воды к растворению.

Самая удивительная способность воды – растворение.

Способность веществ к растворению зависит от их диэлектрической постоянной: чем она выше, тем больше способно вещество растворять другие вещества. Для воды эта величина больше в девять раз, чем у воздуха и вакуума, следовательно, ультрапресные и чистые воды не существуют.

В земной воде всегда что-то растворено: газы, молекулы или ионы химических веществ. В водах Мирового океана обнаружено более 80 элементов. Предполагается, что там могут быть растворены все элементы периодической таблицы.

Природные воды – растворы. Раствор – жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которой могут изменяться в значительных пределах.

Водные растворы представляют собой одну из наиболее важных представителей растворов, без которых невозможна органическая жизнь:

1. истинные (молекулярно-ионные) растворы – растворы, в которых размеры растворенных частиц меньше см., т.е. размеры самих молекул;

2. коллоидные растворы – растворы, в которых размеры растворенных частиц находятся в интервале от до см. В природе коллоидные растворы встречаются очень часто (например, к ним относятся растворы органических соединений в клетках живых организмов и продукты их распада). Существует три типа коллоидных частиц, в соответствие с которыми коллоидные растворы делятся на три группы:

а). суспензоиды – коллоидные растворы металлов, окислов химических элементов, солей;

б). ассоциативные (мицеллярные) коллоидные растворы образованы низкомолекулярными веществами, объединенными в агрегаты молекул (мицеллы). Например, растворы . При этом коллоидные частицы (мицеллы) имеют положительный заряд, хотя большинство при рН = 6,5 – 7,5 имеют на мицелле отрицательный заряд. Наличие электрического заряда препятствует коагуляции. Такая дисперсная система может существовать неопределенно долго, несмотря на то, что малорастворим;

в). Молекулярные коллоиды. К ним относятся растворы природных и синтетических высокомолекулярных веществ с высокой молекулярной массой от 10 тысяч до нескольких миллионов а.е.м.. Молекулы этих веществ соизмеримы с размерами коллоидных частиц и являются макромолекулами. Эти коллоиды способны превращаться в гели или студни. Высушенные студни, в отличие от гелей, способны вновь набухать в воде. Особенностью геля является способность восстанавливать структуру после прекращения механического воздействия на гель в определенных размерах, этим они отличаются от золя. Например, раствор гемоглобина – коллоидный раствор, молекулярная масса равна 64 500 а.е.м.

Если размеры частиц в растворе больше или равны см, то нарушается характерная особенность раствора – его однородность, поэтому, это уже не растворы, а механические смеси (суспензии). При этом частицы с размером см образуют тонкие суспензии, больше см – грубые суспензии (взвеси). Если агрегатное состояние такой частицы жидкое, то образуются эмульсии.

Растворимость твердых веществ.

При соприкосновении твердого вещества с водой ионы или молекулы, составляющие решетку, взаимодействуют с диполями воды, возникают ионно-дипольные связи. Если они окажутся прочнее кристаллизационной связи, то ионы отрываются от кристалла и переходят в раствор. Этому процессу также способствует непрерывное тепловое движение молекул.

Перешедшие в раствор ионы окружены молекулами воды, образующиеся гидратные оболочки ионов неустойчивы, но иногда прочные. При кристаллизации связи сохраняются и образуются кристаллогидраты. Например, , растворяясь в воде, захватывает две молекулы воды ионами кальция и хлора, которые остаются в составе кристаллической решетки этого вещества при удалении растворителя (воды), следовательно, образовавшийся кристаллогидрат – .

Существует правило образования гидратированных ионов:

1. катионам свойственна более сильная гидратация, чем анионам.

Гидратационное число катионов (число молекул воды) щелочных металлов при первичной гидратации минимум равно 4, в то время как для галоидных ионов оно меняется от 1 до 4 (максимально). В нашем примере показано на натрии минимальное гидратационное число, а на хлоре – максимальное.

2. чем больше заряд иона, тем сильнее он гидратируется (гидратационное число магния равно 6 – 12).

3. при одинаковом заряде сильнее гидратируются ионы, имеющие меньший кристаллический радиус.

Зависимость растворимости твердых веществ и жидкостей от температуры, давления и солености.

При растворении твердых тел и жидкостей одновременно с прямым процессом (растворение) идет обратный процесс (кристаллизация). Чем больше площадь соприкосновения с водой, тем больше вещества в единицу времени раствориться водой. Скорость растворения пропорциональна площади кристалла, а скорость кристаллизации определяется концентрацией уже растворившихся ионов. Когда устанавливается динамическое равновесие, наступает состояние насыщения. У насыщенных растворов дальнейшее растворение возможно только при увеличении их температуры. При этом усиливается тепловое движение частиц в кристаллической решетке, силы стяжения ослабеваются, и ионы или молекулы из кристаллической решетки легче разрушаются или переводятся в раствор молекулами воды, и наоборот. Таким образом, растворимость веществ в воде зависит не только от природы вещества, но и от температуры.

Влияние температуры на растворимость зависит от изменения (энтальпии), которым сопровождается процесс растворения. Если растворение веществ представляет собой эндотермический процесс, то растворимость этих веществ увеличивается с ростом температуры; если процесс экзотермический – растворимость уменьшается с ростом температуры. Это можно объяснить с помощью принципа Ле-Шателье:

(1)

На схеме (1) описан эндотермический процесс, если повысить температуру, то равновесие сместиться вправо, понизить температуру – влево.

В соответствие с кривой растворимости на графике процесс растворения соли – экзотермический процесс.

Зависимость растворимости ионно-кристаллических веществ от температуры.

Вещества с одинаковым типом межмолекулярных сил притяжения имеют тенденцию взаиморастворения, т.е. подобное растворяется в подобном.

Растворимость твердых и жидких веществ мало зависит от давления в виду слабой сжимаемости воды.

С увеличением солености (увеличения концентрации электролитов), растворимость твердых веществ растет (солевой эффект), а в случае присутствия в растворе одноименных ионов, растворимость может уменьшиться (эффект одноименного иона).

Растворимость газов в воде. Зависимость растворимости газов от их природы, температуры и солености воды.

Растворимость газов в воде уменьшается в следующем ряду (t = 20ºC):

.

Растворимость измеряется в при общем давлении Р = 1 атм. И соответствующем парциальном давлении.

Есть газы, растворимость которых очень велика: .

При растворимости газов в воде могут протекать реакции их взаимодействия с водой, поэтому растворимость газов определяется многофакторностью процессов.

Зависимость растворимости газов от давления (единичный фактор) определяется законом Генри: «Растворимость газов в данном объеме жидкости при постоянной температуре прямо пропорциональна давлению газа».

, где

- растворимость газов в жидкости,

- парциальное давление данного газа над водным раствором,

- коэффициент пропорциональности, константа Генри. Этот коэффициент выражает растворимость данного газа при давлении Р = 1 атм. Например, растворимость азота при t = 25 ºC и Р = 0,78 атм. равна , если удвоить давление в два раза, то растворимость увеличится в два раза.

Растворимость смеси газов определяется законом Генри-Дальтона: «Растворимость каждой части смеси газов в жидкости прямо пропорциональна парциальному давлению данной составной части над другой».

, где

- парциальное давление компонента смеси,

- общее давление,

- мольная доля данного газа в смеси.

На основании закона Генри-Дальтона можно объяснить, почему в природных водах, соприкасающихся с воздухом, азота содержится больше, чем кислорода, хотя растворимость у азота меньше. Если содержание азота в воздухе равно 78%, а кислорода – 21%, то соотношение , то . И растворимость этих газов при t = 0ºC будет следующая:

Что и составляет отношение растворенных в природных водах газов

парциальное давление, которых в атмосферном воздухе приближается к нулю, не могут в нормальных условиях накапливаться в воде у поверхности водоемов.

Растворимость газов зависит также от температуры и солености воды.

В отличие от твердых веществ и жидкостей, растворимость газов с ростом температуры уменьшается. Также уменьшается растворимость газов и с ростом солености. Кроме того, фактическое содержание газов в природных водах определяется также интенсивностью химических, биологических и гидрологических (перемешивание, вертикальная зимняя циркуляция и др.) процессов, поэтому часто содержание многих газов и обязательно кислорода, азота и углекислого газа выражают в процентах от их насыщающего количества. За насыщение системы газа принимают то количество газа, которое может раствориться в воде при данной температуре и данной солености (при сухом атмосферном воздухе и нормальном давлении).