Некоторые сведения о структуре растворов. Кристаллогидраты (Дополнительный материал к § 4)

Определения и обозначения

Гидратация — взаимодействие частиц растворённого вещества с молекулами воды. Она является частным случаем сольватации, потому что растворителем здесь служит именно вода. Понятие помогает объяснить, почему частицы в водном растворе ведут себя не так, как в исходном веществе.

Гидратированные ионы — это ионы, находящиеся в растворе и окружённые молекулами воды. Такое окружение называют гидратной оболочкой. Она влияет на движение ионов и свойства раствора.

Кристаллогидрат — кристаллическое вещество, в состав которого входит определённое число молекул воды. Вода в нём связана с частицами кристалла и учитывается при расчёте состава. Поэтому кристаллогидрат нельзя считать просто механической смесью соли и воды.

Кристаллизационная вода — молекулы воды, входящие в состав кристаллогидрата. В формуле их записывают после точки, например CuSO₄·5H₂O. Число перед H₂O показывает, сколько молекул воды приходится на одну формульную единицу соли.

Как это устроено

Молекула воды полярна: атом кислорода имеет частичный отрицательный заряд, а атомы водорода — частичные положительные. Поэтому около положительного иона к молекулам обращён кислородный конец, а около отрицательного иона — водородные концы. Так вокруг иона формируется упорядоченное ближайшее окружение — гидратная оболочка.

В кристалле соли разноимённые ионы удерживаются силами притяжения. Когда кристалл соприкасается с водой, её полярные молекулы притягиваются к ионам на поверхности и ослабляют связи между ними. Ионы отделяются от кристалла, переходят в раствор и сразу взаимодействуют с окружающими молекулами воды.

Раствор нельзя описывать только формулой исходной соли: в нём частицы окружены водой и движутся среди молекул растворителя. Размер и состав гидратных оболочек влияют на подвижность ионов, тепловые эффекты растворения и многие свойства раствора. Именно поэтому взаимодействие вещества с водой важно учитывать при объяснении растворения.

Безводная соль и кристаллогидрат имеют разный состав. В безводной соли кристаллизационной воды нет, а в кристаллогидрате она занимает определённые места или участвует в связях внутри кристалла. Раствор отличается от обоих веществ: его частицы разделены и окружены водой, а не образуют исходную кристаллическую решётку.

Формулу кристаллогидрата читают так: CuSO₄·5H₂O означает одну формульную единицу сульфата меди(II) и пять молекул воды. При нагревании эта вода может удаляться, поэтому меняются масса, состав и иногда цвет кристаллов. После полного обезвоживания образуется безводная соль, если нагревание не вызывает других превращений.

Гидратированные частицы и кристаллогидраты

Таблицу удобно читать сверху вниз: сначала определить, идёт ли речь о частице в растворе или о твёрдом веществе. Затем нужно установить, является ли вода окружением иона или частью кристаллического состава. В формулах коэффициент перед H₂O всегда относится к числу молекул воды на одну формульную единицу соли.

Разбор задач

1. Ориентация молекул воды около ионов

Условие: объяснить, как ориентируются молекулы воды около Na⁺ и Cl⁻. Причина связана с полярностью воды, поэтому рассматриваем знаки частичных зарядов её частей.

1. У молекулы воды кислородный конец частично отрицателен, а водородные концы частично положительны.
2. Положительный ион Na⁺ притягивает отрицательный кислородный конец. Поэтому вокруг Na⁺ молекулы воды поворачиваются атомами кислорода к иону.
3. Отрицательный ион Cl⁻ притягивает положительные водородные концы. Вокруг Cl⁻ молекулы воды ориентируются атомами водорода к иону.

Ответ: около Na⁺ обращены кислородные концы молекул воды, а около Cl⁻ — водородные; так образуются гидратные оболочки.

2. Массовая доля воды в CuSO₄·5H₂O

Условие: найти массовую долю кристаллизационной воды. Используем относительные атомные массы Cu = 64, S = 32, O = 16, H = 1.

1. М(CuSO₄) = 64 + 32 + 4·16 = 160 г/моль.
2. М(5H₂O) = 5·(2·1 + 16) = 90 г/моль.
3. М(CuSO₄·5H₂O) = 160 + 90 = 250 г/моль.
4. ω(H₂O) = 90/250 · 100% = 36%.

Ответ: массовая доля воды равна 36%. В общей молярной массе обязательно учтены и соль, и пять молекул воды.

3. Определение числа молекул воды

Условие: из 25,0 г MgSO₄·nH₂O получили 12,2 г безводного MgSO₄. Найти n. Разность масс равна массе воды: 25,0 − 12,2 = 12,8 г.

1. М(MgSO₄) = 24 + 32 + 4·16 = 120 г/моль, поэтому ν(MgSO₄) = 12,2/120 ≈ 0,102 моль.
2. ν(H₂O) = 12,8/18 ≈ 0,711 моль.
3. Находим отношение: n = 0,711/0,102 ≈ 7.

Ответ: n = 7, формула кристаллогидрата — MgSO₄·7H₂O.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Гидратную оболочку смешивают с кристаллизационной водой. Первые молекулы окружают ионы в растворе, а вторая входит в состав твёрдого кристалла. Проверка: спросите себя, идёт ли речь о растворе или о кристалле.

Ошибка 2. При расчёте молярной массы забывают воду после точки. Это происходит потому, что за основу ошибочно принимают только формулу соли. Проверьте, прибавлена ли к массе соли масса всех молекул nH₂O.

Ошибка 3. Коэффициент перед H₂O принимают за число атомов. На самом деле он показывает число молекул воды на одну формульную единицу соли. Проверка проста: раскройте запись nH₂O как n отдельных молекул H₂O.

Ошибка 4. Считают, что после растворения кристаллизационная вода сохраняет прежнюю роль. При растворении кристалл разрушается, а вода становится частью водной среды и участвует в гидратации частиц. Поэтому нельзя изображать её как неизменный фрагмент кристалла.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении и полярности молекулы воды, ионной связи и ионах. Эти представления объясняют, почему разные концы молекулы воды притягиваются к катионам и анионам.

Тема опирается на знания о растворах и растворении солей. При вычислениях используются относительная молекулярная и молярная массы, а также массовая доля вещества.

Понятия гидратации пригодятся при изучении электролитической диссоциации и свойств растворов. Кристаллогидраты связаны с расчётами состава веществ и изменениями при нагревании.

Что запомнить

• Молекулы воды взаимодействуют с частицами растворённого вещества.
• Ионы в водном растворе окружены молекулами воды.
• Гидратация — взаимодействие частиц вещества с водой.
• Кристаллогидрат содержит воду в составе кристалла.
• Число молекул кристаллизационной воды указывают после точки в формуле.
• При расчётах учитывают массу и соли, и кристаллизационной воды.