"Химия", Журин А.А.
Растворение — не просто смешивание вещества с водой: частицы растворяемого вещества отделяются друг от друга и взаимодействуют с молекулами воды. Такое взаимодействие называют гидратацией, а образовавшиеся частицы — гидратированными. На разрушение одних взаимодействий требуется энергия, при образовании других она может выделяться. От соотношения этих затрат зависит тепловой эффект растворения: раствор нагревается или охлаждается. Понимание этих процессов помогает объяснять свойства растворов и состав кристаллогидратов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Растворение — процесс, при котором частицы одного вещества распределяются между частицами растворителя. Оно может сопровождаться не только смешиванием: частицы растворённого вещества взаимодействуют с частицами растворителя. Это понятие помогает объяснить, почему растворение меняет свойства системы и иногда её температуру.
Гидратация — взаимодействие частиц растворённого вещества с молекулами воды. При этом образуются гидратированные частицы, связанные с молекулами воды. Гидратация показывает, что вода участвует в процессе как растворитель, а не просто занимает пространство между частицами вещества.
Тепловой эффект растворения — изменение температуры раствора, связанное с выделением или поглощением теплоты при растворении. Если теплота выделяется в окружающий раствор, он может нагреться; если поглощается — охладиться. Этот термин нужен, чтобы описать энергетическую сторону растворения.
Кристаллогидрат — кристаллическое вещество, в состав которого входят молекулы воды. Они связаны с веществом в определённом соотношении и являются частью его состава, а не случайной поверхностной влагой. Это понятие помогает отличать такие кристаллы от обычных веществ, просто намокших снаружи.
Чтобы частицы растворяемого вещества разошлись, нужно преодолеть притяжение между ними. Поэтому разрушение или ослабление исходных взаимодействий требует затрат энергии. Одновременно приходится частично ослабить взаимодействия между молекулами растворителя, чтобы в воде появилось место для частиц вещества. И на это тоже расходуется энергия.
После отделения частицы вещества могут взаимодействовать с молекулами воды. Вода притягивается к частицам, и вокруг них образуются гидратированные частицы. Такое взаимодействие помогает частицам распределиться по всему объёму раствора: вместо того чтобы оставаться вместе, они удерживаются молекулами воды среди других частиц. При гидратации энергия обычно выделяется, поскольку возникают новые взаимодействия.
Температура раствора зависит от общего результата двух встречных процессов. Энергия уходит на разрушение взаимодействий в веществе и ослабление связей между молекулами воды, а при гидратации частиц выделяется. Сравнивают не отдельный этап, а суммарное действие этих энергетических изменений. Поэтому одного знания о том, что вещество растворилось, недостаточно, чтобы заранее определить нагревание или охлаждение.
Если при гидратации выделяется больше энергии, чем было затрачено на разрушение исходных взаимодействий, избыток теплоты передаётся раствору и его температура повышается. Такое растворение называют экзотермическим. Если на разрушение взаимодействий требуется больше энергии, чем выделяется при гидратации, раствор поглощает теплоту и охлаждается; растворение называют эндотермическим. Например, растворение гидроксида натрия в воде обычно сопровождается нагреванием, а растворение нитрата аммония — охлаждением. Температурное изменение само по себе не показывает, быстрее или медленнее растворилось вещество: скорость зависит также от других условий, например перемешивания и размера частиц.
| Этап или результат | Что происходит с частицами | Изменение энергии | Наблюдаемое проявление |
|---|---|---|---|
| Разрушение взаимодействий в растворяемом веществе | Частицы вещества отделяются друг от друга. | Энергия затрачивается. | Само по себе обычно не наблюдается. |
| Ослабление взаимодействий между молекулами воды | Между молекулами воды освобождается место для частиц вещества. | Энергия затрачивается. | Непосредственно не заметно. |
| Гидратация частиц растворённого вещества | Частицы взаимодействуют с молекулами воды и становятся гидратированными. | Энергия выделяется. | Частицы распределяются в растворе. |
| Общий тепловой эффект растворения | Учитывается результат всех энергетических изменений. | Итог зависит от соотношения затрат и выделения энергии. | Раствор нагревается или охлаждается. |
Читайте таблицу сверху вниз: сначала происходят энергетические затраты, затем возникает взаимодействие частиц с водой. В последней строке собран общий результат этих этапов. Именно он определяет, заметим ли мы нагревание или охлаждение раствора.
Задача 1. При растворении вещества в воде температура раствора повысилась. Определите, выделялась или поглощалась теплота и какой тепловой эффект наблюдается.
Сначала устанавливаем наблюдение: температура раствора стала выше. Значит, раствор получил теплоту, выделившуюся в ходе растворения. Изменение температуры рассматриваем как признак общего теплового эффекта, а не отдельного этапа.
Если теплота передаётся раствору, растворение является экзотермическим. Это означает, что энергия, выделившаяся при образовании взаимодействий гидратации, превысила затраты на разрушение исходных взаимодействий. По одному повышению температуры нельзя судить о скорости растворения.
Ответ: теплота выделялась, наблюдается экзотермический тепловой эффект.
Задача 2. Два вещества растворили в одинаковом количестве воды: в одном случае температура повысилась, в другом понизилась. Объясните различие, используя затраты энергии и гидратацию.
Для каждого растворения отдельно учитываем два энергетических изменения. На отделение частиц вещества и ослабление взаимодействий между молекулами воды энергия расходуется. При гидратации частиц энергия выделяется.
В случае повышения температуры выделение энергии при гидратации оказалось больше затрат. Поэтому избыток энергии нагрел раствор, и тепловой эффект экзотермический. Для другого вещества соотношение обратное: затратилось больше энергии, чем выделилось.
Во втором случае раствор поглотил недостающую теплоту, поэтому его температура понизилась. Такое растворение эндотермическое. Различие объясняется разной величиной энергетических затрат и выделения при гидратации, а не отсутствием взаимодействия частиц с водой.
Ответ: у первого вещества выделение энергии преобладает над затратами, у второго — затраты преобладают над выделением.
Задача 3. Вещество растворили в воде, и раствор заметно охладился. Ученик заключил, что частицы вещества не взаимодействуют с молекулами воды. Оцените вывод и объясните наблюдение.
Проверяем, что именно показывает охлаждение. Оно говорит об общем энергетическом результате процесса: раствор поглотил теплоту, поэтому его температура упала. Это не прямое доказательство отсутствия взаимодействия между частицами.
При растворении частицы вещества всё равно могут гидратироваться и взаимодействовать с молекулами воды. При гидратации энергия выделяется, но на разрушение исходных взаимодействий могло потребоваться ещё больше энергии. Тогда суммарно теплота поглощается.
Сопоставляем наблюдение с объяснением: охлаждение соответствует эндотермическому растворению, а не отсутствию гидратации. Следовательно, вывод ученика неверен. Чтобы оценить взаимодействие, нужно учитывать весь процесс, а не только направление изменения температуры.
Ответ: вывод неверен; охлаждение означает, что затраты энергии превысили её выделение при гидратации, хотя взаимодействие частиц с водой происходит.
Считать растворение только механическим смешиванием. Так думают, потому что внешне вещество просто исчезает в воде. Но частицы растворённого вещества взаимодействуют с молекулами воды, то есть процесс включает изменение взаимодействий. Проверьте себя: можете ли вы объяснить появление гидратированных частиц?
Полагать, что при любом растворении раствор нагревается. Иногда нагревание запоминают как единственный возможный результат, хотя энергия может и поглощаться. Знак эффекта зависит от сравнения энергетических затрат и выделения при гидратации. Проверьте ответ по температуре: повышение означает выделение теплоты, понижение — её поглощение.
Приравнивать охлаждение к отсутствию гидратации. Такая ошибка возникает, если учитывать только наблюдаемую температуру и забывать о разных этапах процесса. Гидратация может идти одновременно с общим поглощением теплоты. Проверьте себя: отдельно назовите, на что энергия расходуется и на каком этапе выделяется.
Считать воду в кристаллогидрате поверхностной влагой. Кристаллы могут казаться влажными, поэтому воду ошибочно принимают за случайное покрытие. В кристаллогидрате молекулы воды входят в состав вещества в определённом соотношении. Проверка: если вода является частью состава кристаллического вещества, это не просто влага на его поверхности.
Для понимания растворения нужно знать, что вещества состоят из частиц — атомов, молекул или ионов — и что частицы взаимодействуют. Также пригодятся понятия раствора, растворителя и растворённого вещества: растворитель распределяет в себе частицы другого вещества. Представления о гидратации помогают изучать электролитическую диссоциацию и реакции в растворах, где важны частицы, находящиеся в воде. Знание о кристаллогидратах позволяет понимать состав и свойства некоторых кристаллических веществ.
Почему при растворении одних веществ раствор нагревается, а других охлаждается?
При растворении энергия затрачивается на отделение частиц вещества и ослабление взаимодействий между молекулами воды. При гидратации частиц энергия выделяется. Если выделилось больше, чем было затрачено, раствор нагревается; если затраты больше — охлаждается.
Что происходит с частицами вещества при растворении?
Частицы отделяются друг от друга, а взаимодействия между молекулами растворителя частично ослабевают. Затем частицы вещества взаимодействуют с молекулами воды и распределяются между ними.
Что такое гидратация?
Гидратация — взаимодействие частиц растворённого вещества с молекулами воды. В результате возникают гидратированные частицы, окружённые молекулами воды.
Означает ли охлаждение раствора, что растворение не сопровождается взаимодействием частиц?
Нет. Охлаждение показывает, что на разрушение исходных взаимодействий ушло больше энергии, чем выделилось при гидратации. Гидратация при этом всё равно происходит.
Чем вода в кристаллогидрате отличается от влаги на поверхности кристаллов?
В кристаллогидрате молекулы воды входят в состав кристаллического вещества и связаны с ним в определённом соотношении. Влага на поверхности лишь покрывает кристаллы и не является частью их состава.
§ 39. Химические процессы при растворении веществ
