§ 29. Растворы. Растворимость твёрдых веществ в воде

Определения и обозначения

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Однородность означает, что в разных частях раствора состав одинаков: например, в каждой капле хорошо перемешанной солёной воды содержится примерно одинаковое соотношение воды и соли. Это позволяет описывать весь раствор по одной пробе.

Растворитель — компонент раствора, в котором распределено другое вещество. В водном растворе растворителем является вода, а соль или сахар выступают растворёнными веществами. Такое разделение помогает понять, какое вещество берут за основу при описании раствора.

Растворимость — способность вещества растворяться в данном растворителе. Сравнивать растворимость можно только для одинакового количества растворителя и при одной температуре: обычно указывают, сколько граммов вещества растворяется в 100 г растворителя. Поэтому растворимость сахара и соли сравнивают не по внешнему виду растворов, а по их предельным количествам.

Массовая доля растворённого вещества — отношение массы этого вещества к массе всего раствора: ω = m(вещества) / m(раствора). В процентах результат умножают на 100%. В знаменателе должна быть масса раствора, то есть растворителя вместе с растворённым веществом.

Как это устроено

Раствор образуется, когда частицы растворённого вещества отделяются друг от друга и распределяются между частицами растворителя. При перемешивании это происходит быстрее, потому что новые части растворителя соприкасаются с веществом. Если частицы распределены достаточно равномерно, смесь становится однородной и в разных её участках имеет близкий состав.

Растворимость зависит от природы обоих веществ, потому что частицы взаимодействуют друг с другом неодинаково. Одни вещества вода принимает легко, а другие почти не растворяет. Поэтому одинаковые порции разных твёрдых веществ в воде могут дать растворы с разным содержанием вещества или оставить разный осадок.

При повышении температуры растворимость большинства твёрдых веществ в воде увеличивается. Нагревание ускоряет движение частиц и обычно облегчает их переход с поверхности твёрдого вещества в раствор. Однако вещества реагируют на нагревание по-разному: у одного растворимость возрастает сильно, у другого — немного, а для некоторых зависимость может быть иной.

Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данной температуре количество растворённого вещества. Если внести больше вещества, частицы уже не смогут перейти в раствор в прежнем объёме воды, поэтому избыток останется твёрдым. При изменении температуры предельное количество меняется, и раствор может стать ненасыщенным или, наоборот, в нём появится осадок.

Ненасыщенный раствор способен растворить ещё некоторое количество вещества при тех же условиях. Сам по себе прозрачный или однородный вид не доказывает ненасыщенность, поскольку насыщенный раствор тоже может быть прозрачным. Чтобы определить состояние раствора, сравнивают фактическую массу растворённого вещества с растворимостью при этой температуре.

Растворимость твёрдых веществ в воде и типы растворов

Сначала определите, что именно сравнивается: растворимость или состояние конкретного раствора. Затем проверьте, одинаковы ли масса воды и температура в сравниваемых случаях. Если фактическое количество меньше предельного, раствор ненасыщенный; если равно предельному или есть избыток твёрдого вещества, раствор насыщенный.

Разбор задач

Задача 1. Массовая доля соли

В 90 г воды растворили 10 г соли. Требуется найти массовую долю соли в полученном растворе. Сначала нужно учесть обе составные части раствора, а затем перевести долю в проценты.

1. Находим массу раствора: m(раствора) = 90 г + 10 г = 100 г.
2. Подставляем данные в формулу: ω = 10 г / 100 г = 0,1.
3. Переводим долю в проценты: 0,1 · 100% = 10%.

Ответ: массовая доля соли равна 10%.

Задача 2. Насыщенность раствора

При данной температуре в 100 г воды может раствориться 36 г вещества. В воду внесли 30 г вещества, и всё оно растворилось. Нужно сравнить фактическую массу с предельной, а не судить о насыщенности по прозрачности раствора.

1. Записываем растворимость: максимум составляет 36 г вещества на 100 г воды.
2. Сравниваем: 30 г меньше 36 г, значит, предел ещё не достигнут.
3. Делаем вывод о состоянии раствора: при тех же температуре и массе воды можно растворить ещё 6 г вещества.

Ответ: раствор ненасыщенный; дополнительно может раствориться 6 г вещества.

Задача 3. Масса вещества для насыщенного раствора

Растворимость вещества равна 40 г на 100 г воды. Нужно узнать, сколько вещества растворится в 250 г воды для получения насыщенного раствора. Массу воды нельзя заменять массой всего раствора, потому что растворимость задана именно относительно воды.

1. Составляем пропорцию: 40 г вещества — на 100 г воды, x г — на 250 г воды.
2. Вычисляем: x = 40 · 250 / 100 = 100 г.
3. Проверяем смысл результата: воды стало в 2,5 раза больше, поэтому предельная масса вещества также увеличилась в 2,5 раза.

Ответ: в 250 г воды можно растворить 100 г вещества.

Типичные ошибки

Растворимость иногда принимают за количество вещества на 100 г раствора. Ошибка возникает из-за смешения понятий растворитель и раствор, но обычно растворимость указывают на 100 г растворителя. Проверьте условие: если написано «на 100 г воды», в пропорции должна стоять именно масса воды.

При нахождении массовой доли делят массу вещества на массу растворителя. Так делают, потому что вода кажется основой раствора, однако доля относится ко всей смеси. Самопроверка проста: сначала запишите m(раствора) = m(воды) + m(вещества), а уже потом используйте формулу.

Раствор называют насыщенным только потому, что он выглядит однородным. Внешний вид не показывает, достигнуто ли предельное содержание вещества. Сравните фактическую массу растворённого вещества с растворимостью при той же температуре или проверьте, остаётся ли добавленное вещество нерастворённым.

Растворимость сравнивают при разных температурах без поправки на условия. Это приводит к неверному выводу, поскольку при нагревании предельное количество вещества обычно меняется. Всегда указывайте температуру и сравнивайте величины, полученные при одинаковых условиях.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны понятия смеси, чистого вещества, массы и массовой доли. Смесь состоит из нескольких веществ, а массовая доля помогает количественно описать содержание одного компонента. Эти знания позволяют отличать растворитель от растворённого вещества и правильно составлять расчёты.

Растворы и массовая доля понадобятся при изучении концентрации растворов и химических реакций в растворах. С их помощью находят массу вещества, участвующего в реакции, или рассчитывают состав исходного раствора. Позже эти навыки используются в задачах по уравнениям химических реакций.

Что запомнить

• Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества.
• В водных растворах растворителем является вода.
• Растворимость показывает, сколько вещества растворяется в заданном количестве растворителя при определённой температуре.
• Растворимость твёрдых веществ в воде зависит от природы вещества и температуры.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества.
• Массовая доля растворённого вещества равна отношению его массы к массе раствора.