§ 29. Растворы. Растворимость твёрдых веществ в воде

Определения и обозначения

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Однородной её называют потому, что частицы растворённого вещества распределены равномерно и состав смеси в разных местах одинаков. Это понятие помогает отличать раствор от смеси, в которой компоненты заметны или распределены неравномерно.

Растворитель — компонент раствора, в котором растворяется другое вещество. В водных растворах растворителем является вода, а растворённым веществом могут быть, например, кристаллы соли. Различать эти компоненты нужно, чтобы понимать, какое вещество растворяют и в какой среде это происходит.

Растворимость твёрдого вещества в воде — максимальная масса вещества, которая может раствориться в заданной массе воды при определённой температуре. Часто её указывают в граммах вещества на 100 г воды. Это значение позволяет рассчитать предел растворения для других масс воды и сравнить вещества.

Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данной температуре количество растворённого вещества. Если добавить вещества больше этого предела, избыток останется нерастворённым. Понятие насыщения помогает определить, может ли раствор принять ещё вещества в тех же условиях.

Как это устроено

Кристалл твёрдого вещества состоит из частиц, удерживаемых вместе. При соприкосновении с водой некоторые частицы отделяются от кристалла и переходят в раствор. Частицы воды окружают их и помогают распределить по всему объёму, поэтому смесь становится однородной. Видимые кристаллы могут исчезнуть, хотя само вещество никуда не пропало: оно присутствует в растворе в виде частиц.

Растворение продолжается, пока в данных условиях в воде может находиться дополнительное количество вещества. Частицы не только покидают кристалл, но и могут возвращаться из раствора на его поверхность. В насыщенном растворе эти процессы уравновешиваются: сколько вещества растворяется за некоторое время, столько же выделяется обратно. Поэтому избыток добавленного вещества остаётся твёрдым.

Растворимость зависит от температуры, потому что нагревание меняет условия движения и взаимодействия частиц. У многих твёрдых веществ при повышении температуры растворимость увеличивается, но у разных веществ она меняется неодинаково. Нельзя переносить данные об одном веществе на другое: для расчётов нужны значения растворимости именно при указанной температуре.

Если растворимость известна, можно вычислить, сколько вещества максимально растворится в заданной массе воды. Например, при растворимости 36 г на 100 г воды для 250 г воды составляют пропорцию: 36 × 250 / 100 = 90 г. При охлаждении насыщенного горячего раствора растворимость нередко становится меньше. Вода тогда уже не может удерживать прежнее количество вещества, и его избыток выделяется в виде кристаллов.

Растворимость и скорость растворения описывают разные свойства процесса. Растворимость задаёт максимум вещества в насыщенном растворе при конкретных температуре и массе воды, а скорость показывает, как быстро этот максимум достигается. Измельчённое вещество растворяется быстрее, потому что его поверхность соприкасается с водой на большей площади. Перемешивание также ускоряет процесс, но ни оно, ни измельчение сами по себе не увеличивают предельное количество растворённого вещества.

Растворы и растворимость твёрдых веществ в воде

Сначала найдите в таблице нужное понятие, затем сверьте условия задачи: температуру, массу воды и состояние раствора. Для вычислений используйте только значение растворимости, подходящее к данной температуре. Если в задаче говорится об избытке, проверьте, не является ли раствор насыщенным.

Разбор задач

В задачах о растворах сначала выясняют, какие вещества и условия заданы. Затем определяют, нужно ли найти состояние раствора, максимальную растворившуюся массу или количество вещества, которое выделится. Записывайте ход решения по шагам: это помогает не перепутать массу воды с массой раствора и учесть температуру.

Задача 1. В стакан с водой добавили кристаллы вещества. Часть кристаллов исчезла, а часть осталась на дне. Определите, какой раствор образовался и почему.

1. Оставшиеся кристаллы показывают, что твёрдого вещества добавили больше, чем может раствориться при данных условиях.
2. Растворившаяся часть достигла предела растворимости, поэтому раствор является насыщенным.
3. Нерастворившиеся кристаллы — избыток вещества, который не может перейти в раствор при этой температуре.

Ответ: образовался насыщенный раствор; избыток вещества остался на дне.

Задача 2. Растворимость вещества при заданной температуре равна 36 г на 100 г воды. Сколько вещества максимально растворится в 250 г воды?

1. Сопоставьте массы: 36 г вещества растворяются в 100 г воды, а найти нужно массу для 250 г воды.
2. Составьте пропорцию: x / 250 = 36 / 100, где x — искомая масса вещества.
3. Вычислите: x = 36 × 250 / 100 = 90 г. Масса воды увеличилась в 2,5 раза, поэтому во столько же раз увеличился максимум растворённого вещества.

Ответ: в 250 г воды максимально растворится 90 г вещества.

Задача 3. При высокой температуре в 200 г воды приготовили насыщенный раствор вещества с растворимостью 80 г на 100 г воды. Раствор охладили до температуры, при которой растворимость равна 30 г на 100 г воды. Испарения воды не было. Найдите массу выделившегося вещества.

1. Найдите массу вещества в горячем насыщенном растворе: 80 × 200 / 100 = 160 г.
2. Рассчитайте, сколько вещества останется растворённым после охлаждения: 30 × 200 / 100 = 60 г. Масса воды не изменилась, значит, для нового расчёта берут те же 200 г.
3. Вычтите оставшуюся массу из первоначальной: 160 − 60 = 100 г. Эта разность перешла из раствора в твёрдое состояние.

Ответ: выделится 100 г вещества в виде кристаллов.

Типичные ошибки

Путать растворимость со скоростью растворения. Перемешивание и измельчение ускоряют процесс, поэтому кажется, что они повышают растворимость. Проверьте себя: растворимость — это предел при заданной температуре, а не время растворения. При одинаковых температуре и массе воды этот предел не задаётся размером кристаллов.

Считать, что любое твёрдое вещество лучше растворяется при нагревании. Такое ожидание возникает из-за знакомого поведения многих веществ, но зависимость у разных веществ различается. Проверьте таблицу растворимости для конкретного вещества при нужных температурах. Не делайте вывод только по общему правилу.

Считать насыщенным любой раствор с большим количеством вещества. Насыщение определяется не словом «много», а пределом растворимости при конкретной температуре. Даже небольшое количество вещества может насытить раствор, если его растворимость мала. Для проверки сравните фактическую массу вещества с максимально возможной.

Использовать растворимость без учёта массы воды и температуры. Значение, приведённое для 100 г воды, нельзя напрямую считать массой для любого объёма раствора. При расчёте проверьте, к какой температуре относится число, и составьте пропорцию по массе воды. Если хотя бы одно условие не совпадает, результат может быть неверным.

Связь с другими темами

Для понимания растворов пригодятся знания о чистых веществах и смесях, а также умение отличать однородную смесь от неоднородной. При решении задач используются пропорции и понятие массовой доли: они помогают описывать состав раствора количественно. Эти знания понадобятся дальше при изучении концентрации растворов, кристаллизации и лабораторных способов получения веществ. Умение учитывать температуру и массу воды помогает правильно планировать опыты.

Что запомнить

• Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества.
• В водном растворе растворителем служит вода.
• Растворимость зависит от вещества и температуры.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данной температуре количество растворённого вещества.
• Растворимость твёрдых веществ обычно выражают массой вещества, растворяющейся в 100 г воды.
• При охлаждении насыщенного раствора растворимость может уменьшиться, и часть вещества выделится в виде кристаллов.