§ 35. Растворение. Растворимость веществ в воде

Определения и обозначения

Растворение — это распределение частиц растворённого вещества между частицами растворителя. Например, частицы соли расходятся в воде и уже не образуют единую кристаллическую решётку. Растворение не следует путать с плавлением: при плавлении вещество становится жидким из-за нагревания, а растворение требует растворителя.

Растворимость — максимальная масса вещества, которая растворяется в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора при заданной температуре. Её обычно выражают в граммах на 100 г воды. Такое определение нужно для сравнения веществ и расчёта количества вещества, способного раствориться в другой массе воды.

Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества. Если добавить ещё вещества, оно уже не растворится полностью. Насыщенность зависит от температуры, природы веществ и количества растворителя.

Ненасыщенный раствор — это раствор, в котором при данных условиях может раствориться ещё некоторое количество вещества. В нём растворено меньше вещества, чем допускает растворимость. Поэтому добавленная порция вещества может полностью исчезнуть в растворе.

Как это устроено

В кристалле частицы вещества удерживаются соседними частицами, а в воде молекулы непрерывно движутся. Молекулы воды притягивают частицы у поверхности кристалла и постепенно отделяют их от общей решётки. Отделившиеся частицы распределяются между молекулами воды, поэтому раствор становится однородным.

После отделения частицы растворённого вещества не остаются без окружения. Молекулы воды располагаются вокруг ионов или молекул растворённого вещества, ослабляя их притяжение друг к другу. При таком взаимодействии могут образоваться гидраты — соединения частиц растворённого вещества с молекулами воды, и это помогает частицам удерживаться в растворе.

В насыщенном растворе рядом с нерастворившимся веществом одновременно идут два процесса. Одни частицы покидают кристалл и переходят в раствор, а другие возвращаются из раствора в кристалл. Когда скорости растворения и обратной кристаллизации становятся равными, устанавливается динамическое равновесие.

У большинства твёрдых веществ при нагревании растворимость увеличивается, потому что частицы быстрее движутся и легче отделяются от кристалла. Но степень изменения различна: для одного вещества она возрастает сильно, для другого — незначительно, а иногда может уменьшаться. Поэтому нельзя делать вывод о растворимости только по температуре.

Растворимость газов обычно уменьшается при нагревании: быстро движущиеся частицы газа легче покидают воду. Повышение давления, наоборот, удерживает газ над поверхностью и способствует его переходу в раствор. Поэтому газированные напитки лучше сохраняют углекислый газ в холодном и закрытом сосуде.

Растворимость веществ в воде при комнатной температуре

Чтобы пользоваться таблицей, сравните массу вещества, растворяющуюся в 100 г воды, с указанными границами. Значение ровно 1 г относят к малорастворимым, а значение 0,01 г входит в этот же промежуток. Практически нерастворимое вещество всё же может растворяться в очень небольшом количестве.

Разбор задач

Задача 1. Распределение по группам

В 100 г воды растворяются 2,5 г вещества A, 0,4 г вещества B и 0,005 г вещества C. Нужно определить степень растворимости каждого вещества. Для этого достаточно сопоставить каждое значение с границами классификации.

1. 2,5 г больше 1 г, значит вещество A растворимое.
2. 0,4 г находится между 0,01 и 1 г, значит вещество B малорастворимое.
3. 0,005 г меньше 0,01 г, значит вещество C практически нерастворимое.

Ответ: A — растворимое, B — малорастворимое, C — практически нерастворимое.

Задача 2. Масса вещества для другой массы воды

Растворимость вещества при данной температуре равна 36 г на 100 г воды. Сколько вещества растворится в 250 г воды? Сначала записываем соответствие из определения, затем составляем пропорцию.

1. На 100 г воды приходится 36 г вещества.
2. На 250 г воды приходится x г вещества: x / 250 = 36 / 100.
3. Вычисляем: x = 36 · 250 / 100 = 90 г.

Ответ: в 250 г воды растворится 90 г вещества.

Задача 3. Масса осадка при охлаждении

В 150 г воды находится насыщенный раствор. Растворимость вещества при высокой температуре равна 80 г, а после охлаждения — 20 г на 100 г воды. Нужно найти массу кристаллов, которые выделятся, если вода не испаряется.

1. При высокой температуре растворится 80 · 150 / 100 = 120 г вещества.
2. После охлаждения в таком же количестве воды останется растворённым 20 · 150 / 100 = 30 г.
3. Разность 120 − 30 = 90 г и есть масса выпавшего осадка.

Ответ: в осадок выделится 90 г вещества.

Типичные ошибки

Иногда растворимость принимают за массу вещества в 100 г раствора. Это неверно: по определению берут 100 г именно растворителя, например воды. Проверка простая: в условии для расчёта должно быть указано, сколько вещества растворяется на 100 г воды.

Нельзя считать, что любое вещество при нагревании растворяется лучше. У разных веществ зависимость растворимости от температуры различается, а для газов обычно наблюдается обратная тенденция. Перед выводом нужно выяснить, о каком веществе идёт речь и к какому типу оно относится.

Насыщенный раствор не обязан иметь видимый осадок. Он может быть прозрачным, если всё вещество уже растворилось, но дальнейшее добавление приведёт к появлению осадка. Проверяйте насыщенность по предельному количеству растворённого вещества при данных условиях.

При поиске осадка после охлаждения сравнивают не просто два числа растворимости. Нужно рассчитать массы вещества для одной и той же массы воды при обеих температурах. Только затем из большего количества вычитают меньшее.

Связь с другими темами

Для понимания растворения нужно знать, что вещества состоят из частиц, а раствор — это однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Эти представления объясняют, почему частицы могут распределяться в воде. Без них трудно отличить растворение от плавления.

Растворимость связана с массовой долей растворённого вещества и приготовлением растворов заданной концентрации. Зная массу воды и растворимость, можно рассчитать предельную массу вещества. Такие расчёты встречаются в лабораторных опытах.

Изменение растворимости помогает объяснить образование осадков в реакциях обмена. Таблица растворимости показывает, какие соединения остаются в растворе, а какие выделяются в виде осадка. Поэтому тема нужна для записи и проверки химических уравнений.

Что запомнить

• Растворение связано с распределением частиц вещества среди частиц растворителя.
• Растворимость зависит от природы вещества, растворителя и температуры.
• Растворимость выражают массой вещества, растворяющейся в 100 г растворителя при заданной температуре.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества.
• Малорастворимое вещество не обязательно совершенно не растворяется.
• Растворимость газов обычно уменьшается при нагревании и увеличивается при повышении давления.