§ 35. Растворение. Растворимость веществ в воде

Определения и обозначения

Растворение — физико-химический процесс равномерного распределения частиц растворяемого вещества между частицами растворителя. Например, частицы сахара отделяются от кристалла и смешиваются с частицами воды. Это понятие помогает объяснить, как вещества образуют смеси на уровне частиц.

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Растворитель — вещество, в котором распределяется другое вещество; в сахарной воде это вода. Определение позволяет отличать раствор от смеси, в которой компоненты можно увидеть или они распределены неравномерно.

Растворимость — максимальная масса вещества, которая растворяется в 100 г растворителя при определённой температуре с образованием насыщенного раствора. Её обычно выражают в граммах вещества на 100 г растворителя. Это число нужно, чтобы сравнивать вещества и рассчитывать, сколько вещества может раствориться при заданных условиях.

Насыщенный раствор — раствор, содержащий предельное для данных условий количество растворённого вещества. Если при этой температуре добавить ещё вещества, оно уже не растворится и останется в избытке. Понятие помогает определить, достигнут ли предел растворения.

Как это устроено

В кристалле растворяемого вещества его частицы удерживаются рядом друг с другом. Частицы растворителя движутся и взаимодействуют с поверхностью кристалла, постепенно отделяя от неё частицы вещества. Те переходят в жидкость и перемещаются между частицами растворителя, а перемешивание ускоряет их распределение по всему объёму.

Растворение происходит не просто потому, что частицы «разбиваются» на мельчайшие кусочки. Чтобы частицы вещества перешли в раствор, нужно ослабить взаимодействия, которые удерживали их вместе, и раздвинуть частицы растворителя. Одновременно возникают новые взаимодействия между растворителем и растворённым веществом. Процесс возможен, когда образование новых взаимодействий компенсирует затраты на разрушение прежних; поэтому при растворении может выделяться или поглощаться тепло.

Разные вещества взаимодействуют с растворителем по-разному. Если новые взаимодействия между частицами вещества и воды достаточно выгодны, вещество хорошо растворяется; если они слабые, растворяется мало. У некоторых веществ взаимодействие с водой настолько невыгодно, что они практически не растворяются. Поэтому результат зависит не только от воды, но и от природы растворяемого вещества.

Температура меняет движение частиц и энергетические условия растворения. Для большинства твёрдых веществ нагревание увеличивает растворимость, поэтому в горячей воде обычно можно растворить больше вещества, чем в холодной. У газов чаще наблюдается обратная зависимость: при нагревании они хуже удерживаются в жидкости и выходят из неё. У отдельных твёрдых веществ растворимость может изменяться иначе, поэтому её значение нужно связывать с конкретной температурой.

Давление особенно заметно влияет на газы: чем выше давление газа над жидкостью, тем больше его частиц может перейти в раствор. В случае твёрдых веществ частицы почти не сжимаются, поэтому изменение давления слабо меняет условия их растворения. Следовательно, для твёрдого вещества обычно достаточно учитывать его природу и температуру, а для газа нужно помнить ещё и о давлении.

Насыщенные и ненасыщенные растворы

Чтобы определить вид раствора, сравните количество растворённого вещества с его растворимостью при той же температуре. Если предел не достигнут, раствор ненасыщенный; если достигнут — насыщенный. Пересыщенный раствор содержит больше вещества, чем обычно может оставаться растворённым при этой температуре, и потому неустойчив.

Разбор задач

При решении задач на растворимость сравнивайте массу внесённого вещества с предельной массой. Если растворителя не 100 г, пересчитайте значение пропорционально его массе. Температуру учитывайте всегда: растворимость из условия относится именно к указанной температуре.

Задача 1. При 20 °C растворимость соли составляет 36 г на 100 г воды. В 100 г воды внесли 20 г соли. Определите, какой раствор образовался.

1. Из условия известно, что при этой температуре в 100 г воды может раствориться не более 36 г соли.
2. Сравниваем внесённые 20 г с пределом: 20 г меньше 36 г. Значит, всё внесённое количество может раствориться, и раствор остаётся ненасыщенным.

Ответ: образовался ненасыщенный раствор.

Задача 2. Растворимость вещества при данной температуре равна 40 г на 100 г воды. Какую максимальную массу вещества можно растворить в 50 г воды?

1. Устанавливаем соответствие: 100 г воды могут растворить 40 г вещества.
2. 50 г воды в два раза меньше 100 г, поэтому предельная масса вещества тоже будет в два раза меньше: 40 × 50 / 100 = 20 г.
3. Проверяем смысл результата: воды стало вдвое меньше, значит, и раствориться может вдвое меньше вещества.

Ответ: максимально можно растворить 20 г вещества.

Задача 3. Растворимость вещества равна 30 г на 100 г воды. В 20 г воды добавили 10 г вещества. Сколько вещества растворится и сколько останется нерастворённым?

1. Рассчитываем предел для 20 г воды: 30 × 20 / 100 = 6 г.
2. Сравниваем предел с внесёнными 10 г. Раствориться могут только 6 г, а остальное останется вне раствора.
3. Находим избыток: 10 − 6 = 4 г.

Ответ: растворится 6 г вещества, 4 г останется нерастворённым.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать растворимость для 100 г раствора, хотя её определяют для 100 г растворителя. Путаница возникает из-за того, что раствор состоит из обоих компонентов. Проверьте, к какой массе относится число в условии: например, «36 г на 100 г воды» означает 100 г именно воды.

Вторая ошибка — называть любой раствор насыщенным, не сравнивая количество растворённого вещества с предельным. Иногда наличие растворённого вещества ошибочно принимают за признак насыщения. Сопоставьте фактическую массу с растворимостью при той же температуре: если она меньше предела, раствор ненасыщенный.

Третья ошибка — не указывать температуру или пользоваться растворимостью, измеренной при другой температуре. Ученик может считать, что это постоянное свойство вещества, хотя растворимость меняется при нагревании и охлаждении. Проверка проста: рядом со значением растворимости должна быть указана температура, соответствующая условию задачи.

Четвёртая ошибка — переносить правило для твёрдых веществ на газы и учитывать только температуру. Причина в том, что изменение температуры заметнее обсуждают при растворении твёрдых веществ. Для газов дополнительно учитывайте давление: обычно его повышение увеличивает растворимость газа, а снижение давления уменьшает её.

Связь с другими темами

Чтобы изучать растворение, нужно знать, что такое смесь и однородная смесь, понимать массу и температуру, а также уметь составлять пропорции. Эти знания помогают вычислять количество вещества, которое растворится в заданной массе воды. Далее тема понадобится для расчётов массовой доли растворённого вещества и приготовления растворов нужного состава. Понятия растворения и растворимости также объясняют кристаллизацию, при которой вещество выделяется из раствора, и применяются при очистке веществ.

Что запомнить

• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Растворение связано с взаимодействием частиц растворяемого вещества и растворителя.
• Растворимость показывает предельную массу вещества, растворяющуюся в 100 г растворителя.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное количество вещества при данных условиях.
• Ненасыщенный раствор может растворить ещё некоторое количество вещества.
• Растворимость зависит от природы веществ, температуры и, для газов, давления.