§ 7. Растворимость

Определения и обозначения

Растворимость — максимальная масса вещества, которая растворяется в 100 г растворителя при заданной температуре. Обычно её выражают в граммах. Это позволяет сравнивать способность разных веществ растворяться и пересчитывать данные на любую массу растворителя.

Насыщенный раствор — раствор, в котором при данной температуре растворено максимально возможное количество вещества. Если добавить ещё растворяемое вещество, оно уже не увеличит его концентрацию. Понятие помогает определить предел растворения.

Ненасыщенный раствор — раствор, в котором при данной температуре можно растворить ещё некоторое количество вещества. В нём растворено меньше вещества, чем допускает растворимость. Такой раствор можно сделать насыщенным добавлением вещества или выпариванием части растворителя.

Пересыщенный раствор содержит больше растворённого вещества, чем обычно может удерживаться при данной температуре. Это неустойчивое состояние: кристалл или небольшое воздействие может вызвать быстрое выделение избытка вещества. Пересыщенный раствор используют, чтобы наблюдать кристаллизацию.

Как это устроено

При растворении частицы растворяемого вещества взаимодействуют с частицами растворителя. Молекулы или ионы растворителя окружают частицы вещества и отрывают их от поверхности кристалла. Затем эти частицы равномерно распределяются по всему объёму, поэтому раствор становится однородным.

В насыщенном растворе устанавливается динамическое равновесие. Это означает, что частицы продолжают переходить с поверхности вещества в раствор, но одновременно некоторые частицы возвращаются из раствора обратно в кристалл. В среднем количество растворённого вещества остаётся постоянным, потому что оба процесса уравновешиваются.

Растворимость зависит от природы растворённого вещества и растворителя: одни частицы взаимодействуют друг с другом сильнее, другие слабее. Поэтому одинаковая масса разных веществ растворяется неодинаково. Температуру тоже обязательно указывают, поскольку её изменение меняет движение частиц и характер их взаимодействия.

Для большинства твёрдых веществ в воде при нагревании растворимость возрастает, но величина этого роста различна. Причина в том, что растворение разных веществ сопровождается разными энергетическими изменениями. У газов обычно наблюдается обратная зависимость: при нагревании их частицы легче покидают раствор, поэтому растворимость уменьшается.

Если насыщенный раствор охладить, растворимость может стать меньше. Тогда прежнее количество вещества уже не помещается в растворе, и избыток выделяется в виде кристаллов. Массу кристаллов находят как разность между количеством, растворимым при высокой и низкой температурах, с пересчётом на фактическую массу растворителя.

Состояние раствора и растворимость вещества

Сначала определите, сколько вещества растворено, а затем сравните это количество с пределом растворимости для той же массы растворителя. Последняя строка помогает предсказать результат охлаждения, нагревания или добавления кристалла.

Нельзя делать вывод только по прозрачности раствора: насыщенный раствор тоже может быть прозрачным. Главный признак — сравнение с максимально возможной массой растворённого вещества.

Разбор задач

Задача 1. При данной температуре растворимость вещества равна 20 г на 100 г воды. Нужно узнать, сколько вещества растворится в 50 г воды для получения насыщенного раствора.

1. Составим пропорцию: 20 г вещества приходится на 100 г воды, а x г — на 50 г воды.
2. Вычислим: x = 20 · 50 / 100 = 10 г.
3. Проверим смысл результата: воды стало в 2 раза меньше, значит, и предельная масса вещества уменьшилась в 2 раза.

Ответ: в 50 г воды можно растворить 10 г вещества.

Задача 2. В 200 г воды растворили 30 г вещества, а его растворимость равна 20 г на 100 г воды. Сначала найдём предельную массу: 20 · 200 / 100 = 40 г. Фактические 30 г меньше 40 г, поэтому раствор ненасыщенный; дополнительно можно растворить 40 − 30 = 10 г. Ответ: раствор ненасыщенный, ещё растворится 10 г.

Задача 3. Растворимость уменьшается с 60 до 25 г на 100 г воды, масса воды равна 200 г. На 200 г воды разность составит (60 − 25) · 200 / 100 = 35 · 2 = 70 г. Именно столько вещества было растворено сверх нового предела и может выделиться при охлаждении, если вода не испаряется. Ответ: выделится 70 г вещества.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Растворимость принимают за количество вещества в любой порции раствора. Так происходит, потому что забывают условие «на 100 г растворителя». Проверьте, указана ли в пропорции именно масса растворителя и выполнен ли пересчёт.

Ошибка 2. Путают массу растворителя с массой раствора. Растворимость относится к воде или другому растворителю, а не к общей массе смеси. Для проверки отделите массу растворённого вещества от массы растворителя.

Ошибка 3. Считают, что насыщенный раствор обязательно имеет осадок. Насыщенность означает достижение предела, но всё вещество может оставаться растворённым. Уточните, сказано ли в условии о наличии твёрдого остатка.

Ошибка 4. Считают влияние температуры одинаковым для всех веществ. На самом деле направление и сила изменения зависят от вещества, а для газов зависимость часто обратная. Всегда учитывайте, о каком веществе говорится в задаче.

Связь с другими темами

Для изучения растворимости нужны понятия раствора, растворителя и растворённого вещества, а также умение составлять пропорции. Эти знания применяются при приготовлении растворов заданного состава и вычислении массы вещества. Тема связана с кристаллизацией: при охлаждении или испарении растворителя вещество может выделяться из раствора. Позже растворимость поможет понять расчёты массовой доли растворённого вещества.

Что запомнить

• Растворимость показывает, сколько вещества растворяется в 100 г растворителя при заданной температуре.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество вещества.
• В ненасыщенном растворе можно растворить ещё некоторое количество вещества.
• Растворимость зависит от природы вещества, растворителя и температуры.
• При охлаждении насыщенного раствора избыток вещества может кристаллизоваться.
• Для расчётов учитывают массу растворителя, а не массу всего раствора.