§ 6. Растворение веществ

Определения и обозначения

Растворение — процесс равномерного распределения частиц одного вещества между частицами другого. Например, при растворении соли её частицы покидают кристалл и оказываются среди частиц воды. Это понятие помогает описать, как из отдельных веществ образуется однородная смесь.

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Однородная означает, что состав смеси одинаков в разных её частях, а компоненты нельзя различить глазом. Понятие раствора нужно, чтобы отличать его от смесей с видимыми частицами, например мутной воды с песком.

Растворитель — компонент, который растворяет другое вещество и обычно присутствует в растворе в большем количестве. Чаще всего растворителем бывает жидкость, например вода, но роль растворителя определяется не только агрегатным состоянием. Это понятие помогает определить, какая среда окружает частицы растворяемого вещества.

Растворённое вещество — компонент, частицы которого переходят в раствор и распределяются между частицами растворителя. В растворе соли в воде таким веществом будет соль, хотя её частицы уже не образуют видимых кристаллов. Это определение позволяет назвать компонент по его роли в процессе, а не по тому, твёрдый он или жидкий.

Как это устроено

В твёрдом веществе частицы удерживаются взаимодействиями и располагаются рядом друг с другом. Чтобы вещество растворилось, частицы должны отделиться от соседей и перейти в окружающую жидкость. Частицы растворителя проникают к поверхности кристалла и взаимодействуют с его частицами, помогая им перейти в раствор. Затем растворённые частицы перемещаются между частицами растворителя.

Результат зависит от того, насколько выгодны взаимодействия между частицами растворителя и растворяемого вещества. Для начала растворения нужно ослабить взаимодействия, которые удерживали частицы вместе в исходном веществе. Когда частицы растворителя окружают частицы растворяемого вещества, возникают новые взаимодействия. Растворение возможно, если совокупное действие этих процессов позволяет частицам оставаться распределёнными в растворе.

Растворение и диффузия похожи тем, что в обоих случаях частицы самопроизвольно распространяются и перемешиваются. Диффузия — это перемещение частиц из области, где их больше, в область, где их меньше, из-за их непрерывного движения. Поэтому даже без перемешивания частицы растворённого вещества постепенно расходятся по всему объёму жидкости. Со временем раствор становится однородным, хотя перемешивание ускоряет этот процесс.

При растворении разрушаются одни взаимодействия и образуются другие, и на это расходуется или выделяется энергия. Если на отделение частиц требуется больше энергии, чем выделяется при их взаимодействии с растворителем, раствор охлаждается: теплота поглощается из окружающей среды. Если образование новых взаимодействий даёт больше энергии, чем потребовалось на разделение частиц, раствор нагревается. Поэтому направление изменения температуры определяется соотношением этих энергетических эффектов.

Температура влияет на скорость движения частиц: при нагревании они движутся быстрее и чаще взаимодействуют, поэтому многие твёрдые вещества растворяются быстрее. Перемешивание подводит к поверхности вещества свежие порции растворителя и уносит от неё уже распределившиеся частицы. Измельчение увеличивает площадь поверхности твёрдого вещества, соприкасающуюся с жидкостью. Эти способы обычно ускоряют процесс, но сами по себе не означают, что в итоге растворится больше вещества.

Растворитель, растворённое вещество и растворение

Чтобы заполнить такую таблицу для нового примера, сначала определите, какой компонент служит средой для другого и обычно взят в большем количестве. Затем укажите, какие частицы переходят в раствор и что получается в результате. Помните, что агрегатное состояние само по себе не определяет роль компонента.

Разбор задач

Соль в воде

Условие. Для раствора поваренной соли в воде назовите растворитель и растворённое вещество. Нужно определить роли компонентов, а не просто перечислить их состояния. Для этого выясним, какая часть растворяет другую и какая переходит в раствор.

1. Вода образует среду, в которой распределяются частицы соли. В обычном примере её берут больше, чем соли.
2. Кристалл поваренной соли при растворении теряет частицы, которые переходят в воду. Они распределяются в жидкости, и видимые кристаллы исчезают.
3. По роли в процессе вода является растворителем, а поваренная соль — растворённым веществом. Такой вывод не зависит от того, что вода жидкая, а соль твёрдая.

Ответ. Растворитель — вода, растворённое вещество — поваренная соль. Основание ответа — функции компонентов при образовании раствора.

Сахар в горячей воде

Условие. Объясните, почему сахар быстрее растворяется в горячей воде при перемешивании и после измельчения. Здесь нужно связать наблюдение сразу с тремя условиями: температурой, движением жидкости и площадью поверхности сахара. Они влияют прежде всего на скорость процесса.

1. При нагревании частицы воды движутся быстрее и чаще взаимодействуют с сахаром. Для многих твёрдых веществ это ускоряет переход частиц в раствор.
2. Перемешивание подводит к кристаллам новые порции воды. Уже растворившиеся частицы уносятся от поверхности, поэтому контакт с растворителем продолжается эффективнее.
3. Измельчённый сахар имеет большую общую поверхность соприкосновения с водой, чем такой же кусок сахара. На этой поверхности одновременно могут растворяться частицы из разных участков.

Ответ. Все три действия ускоряют растворение по разным причинам. Перемешивание и измельчение не обязательно увеличивают количество сахара, которое может раствориться при заданных условиях.

Раствор нагревается или охлаждается

Условие. По наблюдению за температурой раствора определите, сопровождается ли растворение поглощением или выделением теплоты, и объясните причину. Если температура раствора падает, он забирает теплоту из окружающей среды. Если она растёт, теплота выделяется в окружающую среду и нагревает раствор.

1. Сравните температуру до опыта и после добавления вещества. Понижение температуры означает охлаждение раствора, повышение — нагревание.
2. При отделении частиц друг от друга приходится затрачивать энергию, поскольку исходные взаимодействия ослабевают. При взаимодействии растворённых частиц с растворителем энергия, напротив, может выделяться.
3. Если затратилось больше энергии, чем выделилось, растворение сопровождается поглощением теплоты. Если выделилось больше, чем затратилось, теплота выделяется; именно так объясняют наблюдаемое повышение температуры.

Ответ. Охлаждение указывает на поглощение теплоты, а нагревание — на её выделение. Чтобы назвать конкретное вещество, нужно опираться на результат опыта: по одной лишь формуле вещества без данных о наблюдении такой вывод сделать нельзя.

Типичные ошибки

Считать растворение простым механическим дроблением — значит не учитывать, что частицы взаимодействуют с растворителем. Так думают, потому что кристалл исчезает на глаз, словно распадается на всё более мелкие кусочки. Проверьте себя: объясните, почему частицы не остаются отдельной кучкой, а расходятся по жидкости.

Раствор путают с суспензией — мутной смесью крупных частиц в жидкости. В суспензии частицы могут быть заметны, оседать или задерживаться фильтром, тогда как раствор однороден и обычным фильтрованием на компоненты не разделяется. Для проверки дайте смеси отстояться и попробуйте профильтровать её: это поможет отличить раствор от взвеси, хотя не заменит учёта других свойств.

Утверждение «чем выше температура, тем лучше растворяется любое вещество» неверно: температурная зависимость растворимости различается. Ошибку допускают, обобщая поведение знакомого вещества, например сахара. Проверяйте, о чём говорится — о скорости растворения или о предельном количестве вещества, — и учитывайте сведения именно о данном веществе.

Перемешивание и измельчение обычно ускоряют растворение, но не добавляют вещества в смесь. Их принимают за способ увеличить количество растворившегося вещества, потому что кристаллы исчезают быстрее. Проверьте себя: сравните итоговое количество растворённого вещества при одинаковых температуре и составе, но разной скорости перемешивания; скорость может отличаться, а предельное количество не обязано меняться.

Связь с другими темами

Для понимания растворения нужны знания о строении вещества, движении частиц и диффузии: они объясняют, как частицы распределяются в жидкости. Полезно также отличать физические явления от химических, чтобы видеть физическую и физико-химическую стороны процесса. Далее понятие раствора понадобится при изучении массовой доли растворённого вещества и расчётов состава. Оно связано и с электролитической диссоциацией — распадом частиц электролита на ионы в растворе, — и со свойствами растворов электролитов.

Что запомнить

• Растворение — это распределение частиц одного вещества между частицами другого.
• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Растворение определяется взаимодействием частиц растворяемого вещества и растворителя.
• Растворы — однородные смеси.
• Растворение может сопровождаться выделением или поглощением теплоты.
• Перемешивание, нагревание и измельчение обычно ускоряют растворение.