"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Растворимость показывает, сколько вещества может раствориться в воде при определённых условиях. Она зависит от природы вещества и растворителя, а также от температуры и давления. Для газов особенно важны оба условия: при повышении давления газа растворяется больше, а при нагревании воды обычно меньше. Жидкости могут смешиваться с водой полностью, частично или почти не смешиваться. Эти закономерности объясняют поведение газированных напитков и содержание кислорода в водоёмах.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Растворимость — способность вещества растворяться в данном растворителе. Она зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, а также от условий, например температуры и давления. Понятие помогает сравнивать вещества и предсказывать, сколько их может перейти в раствор.
Растворимость газов в воде — способность газа переходить в водный раствор. Её сравнивают по количеству газа, растворённого в одинаковом количестве воды при одинаковых температуре и давлении. Такое сравнение нужно, чтобы понять, какой газ растворяется лучше или как изменится его содержание при изменении условий.
Взаимная растворимость жидкостей — способность двух жидкостей растворяться друг в друге. При полном смешивании получается однородная смесь в любом соотношении, а при ограниченном одна жидкость растворяется в другой лишь частично. Это различие позволяет описывать, будут ли жидкости образовывать один общий слой или разделятся.
Насыщенный раствор газа — раствор, в котором при данных температуре и давлении содержится максимально возможное количество растворённого газа. Если условия не меняются, раствор находится в равновесии с газом над ним. Термин нужен, чтобы обозначить предел растворения именно при заданных условиях.
Растворение газа происходит на границе воды и газа: частицы газа проникают между частицами воды и распределяются в жидкости. При этом часть уже растворённых частиц может возвращаться обратно в газ. Равновесие наступает, когда за одинаковое время в раствор входит столько же частиц, сколько из него выходит. Поэтому раствор не обязательно перестаёт обмениваться частицами, даже если его количество газа больше не меняется.
Если увеличить давление газа над водой, у её поверхности оказывается больше газовых частиц. Из-за этого чаще происходят столкновения частиц с поверхностью, и больше из них переходит в жидкость. В результате при равновесии в воде обычно оказывается больше растворённого газа. Именно поэтому углекислый газ удерживается в закрытой бутылке газированного напитка лучше, чем после её открытия.
При нагревании частицы газа и воды движутся быстрее. Растворённым частицам газа становится легче покинуть жидкость, поэтому для большинства газов равновесие смещается к их выходу из воды. Это заметно при нагревании газированной воды: пузырьки появляются активнее, а газ быстрее улетучивается. Таким образом, повышение температуры обычно уменьшает растворимость газа, хотя причина этого не в том, что вода «теряет способность» растворять любые вещества.
Жидкости могут смешиваться с водой полностью, частично или практически не смешиваться. Это связано с тем, насколько хорошо взаимодействуют частицы разных жидкостей: если взаимодействие благоприятно, частицы распределяются друг среди друга. Если оно слабое, жидкости могут образовать отдельные слои. Поэтому нельзя заранее считать, что любое жидкое вещество растворится в воде одинаково.
Давление обычно гораздо заметнее меняет растворимость газов, чем жидкостей. Газ сжимается, и изменение давления влияет на число его частиц, соприкасающихся с водой; жидкость же сжимается очень мало. Температура тоже влияет на вещества по-разному: у большинства газов растворимость при нагревании падает, а растворимость жидкостей может изменяться, но часто не так резко. Поэтому при сравнении газов и жидкостей важно учитывать не только само условие, но и вид растворяемого вещества.
Таблица помогает сравнить поведение газов и жидкостей по одному и тому же условию. В каждой строке сначала найдите интересующее свойство, затем сопоставьте два столбца. Примеры в последней строке связывают закономерности с повседневными наблюдениями.
| Свойство | Газы | Жидкости |
|---|---|---|
| Как проявляется растворение в воде | Частицы газа переходят в воду и распределяются между её частицами. | Жидкость смешивается с водой полностью, частично или почти не смешивается. |
| Влияние повышения давления | Растворимость обычно увеличивается. | Обычно влияние слабое. |
| Влияние повышения температуры | Растворимость большинства газов уменьшается. | Растворимость может изменяться; влияние зависит от веществ. |
| Примеры из повседневной жизни | Углекислый газ в газированной воде; кислород в водоёмах. | Смешивание воды с другими жидкостями может быть полным или ограниченным. |
Задача 1. Почему при открывании бутылки газированной воды появляются пузырьки? В закрытой бутылке углекислый газ растворён в воде, а над жидкостью находится газ под повышенным давлением. После открытия давление становится ниже. Нужно объяснить, как это изменение связано с поведением газа в растворе.
Ответ: после открытия давление над напитком падает, поэтому углекислый газ выходит из раствора пузырьками. Их появление не обязательно означает, что жидкость нагрели. Главная причина в этой задаче — изменение давления.
Задача 2. В каком стакане — с холодной или тёплой водой — при одинаковом давлении обычно растворится больше кислорода? Давление в обоих стаканах одинаковое, значит, сравнивать нужно температуру. Кислород — газ, поэтому применяем закономерность растворимости газов в воде. Важно не перепутать её с распространённым представлением о растворении твёрдых веществ.
Ответ: больше кислорода обычно растворится в холодной воде. Условие «при одинаковом давлении» позволяет не учитывать влияние давления и сравнить только температуры. Такой же принцип помогает понять, почему тёплой воде водоёма может не хватать кислорода для рыб.
Задача 3. Из двух условий выберите то, при котором в воде растворится больше углекислого газа: холодная вода под повышенным давлением или тёплая вода при обычном давлении. В первом случае действуют низкая температура и повышенное давление, во втором — высокая температура и обычное давление. Оба изменения нужно учесть, а не рассматривать только одно из них. Сначала выясним, как каждое условие влияет на растворимость газа.
Ответ: больше углекислого газа растворится в холодной воде под повышенным давлением. Там одновременно действуют низкая температура и высокое давление. Во втором варианте и нагревание, и обычное давление не дают такого сочетания условий.
Ошибка: считать, что нагревание всегда увеличивает растворимость. Так иногда рассуждают, перенося свойства одних веществ на все остальные. Для большинства газов в воде при нагревании растворимость, наоборот, уменьшается. Проверьте себя: если речь о газе, вспомните пример пузырьков, активнее выделяющихся из тёплой газированной воды.
Ошибка: одинаково описывать влияние давления на газы и жидкости. Давление заметно увеличивает растворимость газа, но обычно слабо влияет на растворимость жидкости. Путаница возникает, если не различать агрегатные состояния растворяемых веществ. Перед ответом уточните, что именно растворяют: газ или жидкость.
Ошибка: считать, что любые две жидкости смешиваются с водой одинаково. Некоторые жидкости смешиваются с ней полностью, другие — только частично, а третьи почти не смешиваются. Ошибка появляется, когда знакомый пример принимают за общее правило. Чтобы проверить себя, выясните, образуется ли однородная смесь или отдельные слои.
Ошибка: объяснять выход газа из газированной воды только нагреванием. Пузырьки появляются и без нагрева, потому что после открытия бутылки падает давление над напитком. Если учитывать только температуру, можно пропустить главную причину наблюдения. Проверьте рассуждение: сравните давление в закрытой и открытой бутылке.
Для понимания темы нужны знания о растворе, растворителе и растворённом веществе. Раствор — это смесь, в которой частицы одного вещества распределены среди частиц другого; растворитель составляет среду, а растворённое вещество переходит в неё. Также полезно различать растворение и простое смешивание: жидкости могут смешаться не полностью.
Закономерности растворимости помогают объяснять явления вокруг нас. Они показывают, почему газированный напиток шипит при открывании и почему водным организмам может быть труднее дышать в тёплой воде. В природных водоёмах на количество растворённого газа влияют температура и давление, поэтому тема связана с условиями жизни рыб и других организмов.
Почему газированная вода шипит после открытия?
В закрытой бутылке углекислый газ находится под повышенным давлением и растворён в воде. При открывании давление над жидкостью падает, поэтому газ начинает выходить в виде пузырьков. Их движение и создаёт шипение.
Почему в холодной воде обычно растворяется больше газа, чем в тёплой?
При нагревании частицы газа в растворе движутся быстрее и легче покидают воду. Поэтому растворимость большинства газов при повышении температуры уменьшается. Это можно заметить, если нагреть газированную воду: пузырьки выделяются активнее.
Как давление влияет на растворимость газа?
При повышении давления над водой обычно увеличивается количество газа, которое может раствориться. Больше частиц газа соприкасается с поверхностью жидкости и переходит в неё. При снижении давления растворённый газ, наоборот, выходит.
Растворяются ли все жидкости в воде?
Нет, жидкости смешиваются с водой по-разному. Одни образуют с ней однородную смесь в любых соотношениях, другие растворяются лишь частично, а некоторые практически не смешиваются. Это зависит от взаимодействия частиц разных веществ.
Почему рыбам может не хватать кислорода в тёплой воде?
В тёплой воде обычно растворяется меньше кислорода, чем в холодной. Поэтому при повышении температуры его запас может стать недостаточным для дыхания водных организмов. Особенно опасно это в жаркую погоду, если вода плохо перемешивается.
§ 30. Растворимость газов и жидкостей в воде
