Растворение. Растворимость веществ в воде

Появление воды на планете Земля - первый и самый важный шаг к возникновению жизни. И в дальнейшем она продолжает играть роль вещества, без которого ничто живое не может существовать. Причина этого в том, что вода - универсальный растворитель, в котором происходят все самые главные биохимические процессы живых организмов. Это уникальное и многоликое вещество отлично растворяет как органические, так и неорганические вещества, окисляет почти все металлы и разрушает самые твердые горные породы. Все химические процессы протекают в воде с высокой скоростью, а образующиеся при этом соединения отличаются большой сложностью. Еще одно уникальное свойство воды - она остается жидкой в достаточно большом диапазоне температур - от 0 до 100°С, а это именно те температуры, которые чаще всего встречаются на Земле.

Одним словом - если бы перед нами стояла задача «подтолкнуть» развитие жизни на какой-нибудь планете, первым делом следовало бы создать воду.

В наши дни ученым известно более 175 природных и искусственно созданных разновидностей воды и около 200 разновидностей льда. Все они обладают различными, часто необычайными свойствами и по-разному воздействуют на процессы, происходящие в живых организмах. Состав этого вещества почти всегда одинаков, но талая, родниковая, «омагниченная», «живая» и «мертвая», ионизированная, «твердая», «желеобразная», «резиновая», «скользкая», «сухая», «вязкая», «крещенская» и многие другие виды воды отличаются друг от друга порой даже больше, чем различные химические соединения.

Если добавить в воду крохотное количество особых полимерных соединений, она станет «скользкой»: стальной шарик в такой воде опускается на дно сосуда в 2,5 раза быстрее, чем в обычной. Такая вода незаменима при тушении пожаров.

Малые дозы некоторых соединений кремния делают воду «сухой». Существует даже «резиновая» вода, которая, вместо того чтобы выливаться из наклоненного сосуда, вытягивается плотным эластичным жгутом.

И еще одно удивительное свойство воды - она обладает «памятью»! Строение этого вещества далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд. Во-первых, молекулы воды имеют как положительный, так и отрицательный электрический заряды и представляют собой крохотные «магнитики», способные по-разному ориентироваться в пространстве. Кроме того, молекулы воды могут образовывать «сообщества» - их называют кластерами. Такие «сообщества», насчитывающие несколько сотен молекул, превращают воду в своего рода полимер и способствуют тому, что вода как бы «запоминает» информацию обо всех процессах, которые с ней происходили. Объем «памяти» воды намного превышает емкость памяти самых сложных электронных запоминающих устройств, созданных человеком.

Одним из проявлений «памяти» воды является то, что она способна некоторое время сохранять свойства раствора даже после того, как в ней не остается ни единой молекулы растворенного вещества.

Вода и сегодня - одна из самых больших загадок природы. Человек тысячелетиями имел с ней дело, но структура воды была раскрыта наукой совсем недавно, и эти исследования далеко не завершены. Главная тайна воды заключается в способности ее молекул к самоорганизации. Кластеры воды включают до 912 молекул, кроме того в жидкой воде могут образовываться структуры, напоминающие решетки кристаллов, в которые входят до 57 молекул. Некоторые кластеры не превращаются в лед даже при температуре ниже - 150 °С. Таким образом, в воде при любой температуре одновременно существуют «организованная» и «неорганизованная» части. Этим, вероятно, и объясняется многообразие ее свойств.

(H2O) - одно из наиболее распространенных и важных веществ. Чистой воды в природе нет, - она всегда содержит примеси. Получают чистую воду методом перегонки. Перегнанная вода называется дистиллированной. Состав воды (по массе): 11,19 % водорода и 88,81 % кислорода. Чистая вода прозрачна, не имеет запаха и вкуса. Наибольшую плотность она имеет при 0° С (1 г/см3). Плотность льда меньше плотности жидкой воды, поэтому лед всплывает на поверхность. Вода замерзает при 0° С и кипит при 100° С при давлении 101 325 Па. Она плохо проводит теплоту и очень плохо проводит электричество. Вода - хороший растворитель. Молекула воды имеет угловую форму атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,3°. Поэтому молекула воды - диполь: та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, а часть, где находится кислород, - отрицательно. Благодаря полярности молекул воды электролиты в ней диссоциируют на ионы. В жидкой воде наряду с обычными молекулами Н2О содержатся ассоциированные молекулы, т. е. соединенные в более сложные агрегаты (Н2О)x благодаря образованию водородных связей (рис. 4). Наличием водородных связей между молекулами воды объясняются аномалии ее физических свойств: максимальная плотность при 4° С, высокая температура кипения (в ряду Н2О - Н2S - Н2Sе) аномально высокая теплоемкость (4,18 кДж/(г К)). С повышением температуры водородные связи разрываются, и полный разрыв наступает при переходе воды в пар.

Рисунок 4. Молекула воды

Растворы - однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия. По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) или твёрдыми (многие сплавы металлов). Размеры частиц в истинных растворах - менее 10-9 м (порядка размеров молекул). Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г NaCl в 100 г H2O, то при 200C растворится только 36 г соли).

Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества. Поместив в 100 г воды при 200C меньше 36 г NaCl получается ненасыщенный раствор. При нагревании смеси соли с водой до 1000C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 200C, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние. Ненасыщенный раствор - раствор, содержащий меньше вещества, чем в насыщенном. Перенасыщенный раствор - раствор, содержащий больше вещества, чем в насыщенном.

Растворы образуются при взаимодействии растворителя и растворённого вещества. Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества называется сольватацией (если растворителем является вода - гидратацией). Растворение протекает с образованием различных по форме и прочности продуктов - гидратов. При этом участвуют силы как физической, так и химической природы. Процесс растворения вследствие такого рода взаимодействий компонентов сопровождается различными тепловыми явлениями. Энергетической характеристикой растворения является теплота образования раствора, рассматриваемая как алгебраическая сумма тепловых эффектов всех эндо - и экзотермических стадий процесса. Наиболее значительными среди них являются:

– поглощающие тепло процессы - разрушение кристаллической решётки, разрывы химических связей в молекулах;

– выделяющие тепло процессы - образование продуктов взаимодействия растворённого вещества с растворителем (гидраты) и др.

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии гидратации растворённого вещества, то растворение идёт с выделением теплоты (наблюдается разогревание). Так, растворение NaOH – экзотермический процесс: на разрушение кристаллической решётки тратится 884 кДж/моль, а при образовании гидратированных ионов Na+ и OH - выделяется соответственно 422 и 510 кДж/моль. Если энергия кристаллической решётки больше энергии гидратации, то растворение протекает с поглощением теплоты (при приготовлении водного раствора NH4NO3 наблюдается понижение температуры).

Растворимость. Предельная растворимость многих веществ в воде (или в других растворителях) представляет собой постоянную величину, соответствующую концентрации насыщенного раствора при данной температуре. Она является качественной характеристикой растворимости и приводится в справочниках в граммах на 100 г растворителя (при определённых условиях). Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры и давления.

1. Природа растворяемого вещества. Кристаллические вещества подразделяются на:

P - хорошо растворимые (более 1,0 г на 100 г воды);

M - малорастворимые (0,1 г - 1,0 г на 100 г воды);

Н - нерастворимые (менее 0,1 г на 100 г воды).

2. Природа растворителя. При образовании раствора связи между частицами каждого из компонентов заменяются связями между частицами разных компонентов. Чтобы новые связи могли образоваться, компоненты раствора должны иметь однотипные связи, т. е. быть одной природы. Поэтому ионные вещества растворяются в полярных растворителях и плохо в неполярных, а молекулярные вещества - наоборот.

3. Влияние температуры. Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость уменьшается (Например, Ca(OH)2 в воде) и наоборот. Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании (рис. 5). Практически все газы растворяются с выделением тепла. Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением увеличивается.

4. Влияние давления. С повышением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается, а с понижением уменьшается.

Рисунок 5. Зависимость растворимости веществ от температуры

Вода - универсальный растворитель, приспособленный к любому виду жизнедеятельности. Она растворяет почти любые вещества, в частности ионные и полярные соединения. Уникальные свойства воздействия характеризуются высокой диэлектрической проницаемостью. В природе вода содержит массу веществ и соединений, попавших в неё так или иначе.

Процесс растворения

На первый взгляд, процесс распада прост, но его суть гораздо сложнее, чем выглядит. Именно поэтому существуют вещества, растворимые в воде и нерастворимые в других жидкостях. Создание раствора связано с физическими процессами: диффузия описывает само разжижение частиц в результате размешивания. Гидратация является процессом, при котором образуются химические связи воды с добавленным веществом.

Растворение веществ характеризуется:

• произошедшей гидратацией;
• изменением цвета раствора;
• тепловыми эффектами (при некоторых условиях) и пр. факторами.

Доказательством произошедшего смешивания выступает изменение цвета раствора. Например, примесь сульфата меди (которая изначально белого цвета) окрашивает воду в интенсивный голубой цвет. Если за окраску отвечают химические свойства оснований, то выделение теплоты происходит из-за физических причин. Таким образом, это полностью физико-химический процесс.

Что такое раствор

Раствор - однородная смесь веществ с растворителем. Растворимые вещества распадаются под действием полярных молекул воды на мелкие частицы, в результате смешиваясь до полной однородности. Водные растворы бывают бесцветными и окрашенными, но неизменно одно - они прозрачные вне зависимости от цвета.

Не имеет значения, добавлять воду в какое-то вещество или сыпать его. Также процесс постепенно произойдет и без вмешательства (размешивания), в некоторых случаях образуется видимый осадок. В других случаях, раствор окрашивается в цвет добавленного вещества, но обязательно остается прозрачным на просвет.

Не растворившиеся вещества оседают на дно плотным слоем под давлением воды. Либо могут оставаться на поверхности в виде неравномерных частиц. Жидкости образуют слои, поскольку имеют разную плотность с водой. Например, растительное масло образует пленку на поверхности.

Какие вещества растворяются в воде, а какие - нет

Вода действительно универсальна и уникальна по своим свойствам. Иногда требуется сильнее перемешать, чтобы добиться полного разрушения частиц, но в большинстве своем вода размывает любые соединения. Однако есть вещества, которые не подвластны даже ей.

Существует условие, по которому количество воды должно быть превышающим, чтобы вещества именно разошлись, а не осели на дно. На примере пищевой соли: при добавлении большого количества, она перестает растворяется и образует плотный, напоминающий камень, слой.

Кроме того, от некоторых веществ жидкость можно очистить, от других - нет. Так, например, ртуть в воде растворяется и процесс очищения невозможен. Другие похожие вещества из встречаемых в быту: поваренная и морская соль, сахар любого типа, пищевая сода, крахмал. Они невидимые и склоны к окрашиванию воды, но частицы настолько мелкие, что они попросту проходят фильтрацию вместе с раствором. Сыпучие вещества вроде песка или глины не растворяются, потому воду можно отфильтровать.

Классификация способности по веществам:

1. Хорошо растворимые (спирт, сахар, соль (она же натрий), большинство щелочей и нитратов металлов).
2. Мало растворимые (гипс, бертолетова соль, бензол, метан, азот и кислород).
3. Практически нерастворимые (драгоценные и полудрагоценные металлы, керосин, ряд масел, инертные газы, сульфид меди).

Отдельная группа - жирорастворимые и водорастворимые витамины. Они необходимы для здоровья человека, а за счет собственной способности растворяться, накапливаются в организме из-за содержания воды. К водорастворимому типу относятся витамины С, В1, В2, В3 (РР), В6, В12, фолиевая кислота, пантотеновая кислота и биотин.

Таким образом, вода как растворитель весьма уникальна. Список сложно и нерастворимых веществ достаточно короткий, чтобы говорить об универсальности воды в качестве растворителя.

Сегодня мы поговорим о веществе – воде!

А видел ли кто-нибудь из вас воду?

Вопрос показался вам нелепым? Но он относится к совершенно чистой воде, в которой нет никаких примесей. Если быть честным и точным в ответе, то придется сознаться, что такую воду ни я, ни вы пока не видели. Именно поэтому на стакане с водой после надписи «Н 2 О» стоит знак вопроса. Значит, в стакане не чистая вода, а что тогда?

В этой воде растворены газы: N 2 , O 2 , CO 2 , Ar, соли из почвы, катионы железа из водопроводных труб. Кроме того, в ней взвешены мельчайшие частицы пыли. Вот что мы называем ч и с т о й в о д о й! Много ученых работает над решением трудной проблемы – получить абсолютно чистую воду. Но пока получить такую ультрачистую воду не удалось. Однако вы можете возразить, что есть дистиллированная вода. Кстати, что она собой представляет?

На самом деле мы получаем такую воду, когда стерилизуем банки перед консервированием. Переворачиваем банку вверх дном, помещаем ее над кипящей водой. На донышке банки появляются капельки, это и есть дистиллированная вода. Но как только мы перевернем банку, в нее заходят газы из воздуха, и снова в банке – раствор. Поэтому грамотные хозяйки стараются сразу после стерилизации заполнить банки нужным содержимым. Говорят, что продукты в этом случае будут храниться дольше. Возможно, они правы. Можете поэкспериментировать! Именно потому, что вода способна растворять в себе различные вещества, ученые не могут до сих пор получить идеально чистую воду в больших объемах. А она бы так пригодилась, например, в медицине для приготовления лекарств.

Кстати, находясь в стакане, вода «растворяет» стекло. Поэтому чем толще стекло, тем дольше прослужат стаканы. А что такое морская вода?

Это раствор, в котором содержится много веществ. Например, поваренная соль. А как можно выделить поваренную соль из морской воды?

Выпариванием.Кстати, именно так поступали наши предки. В Онеге были солеварни, где из морской воды выпаривали соль. Соль продавали новгородским купцам, покупали своим невестам и женам дорогие украшения, шикарные ткани. Таких нарядов, как у поморок, не было даже у московских модниц. А все лишь благодаря знаниям свойств растворов! Итак, сегодня мы с вами говорим о растворах и растворимости. Запишем в тетради определение раствора.

Раствор – однородная система, состоящая из молекул растворителя и растворённого вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия.

Раccмотрим схемы 1–2 и разберем, какие бывают растворы.

Какой из растворов вы предпочтете, готовя суп? Почему?

Определите, где разбавленный раствор, где концентрированный раствор медного купороса?

Если в определённом объёме раствора содержится мало растворённого вещества, то такой раствор называют разбавленным , если много – концентрированным .

Определите, где какой раствор?

Не следует смешивать понятия «насыщенный» и «концентрированный» раствор, «ненасыщенный» и «разбавленный» раствор.

Одни вещества хорошо растворяются в воде, другие мало, а третьи – не растворяются совсем. Посмотрите видео "РАСТВОРИМОСТЬ ТВЁРДЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ"

Выполните задание в тетради: Распределите предложенные вещества - СO 2 , H 2 , O 2 , H 2 SO 4 , Уксус, NaCl,Мел, Ржавчина, Растительное масло, Спирт в пустые столбики таблицы 1, используя свой жизненный опыт.

Таблица 1

Растворенное вещество	Примеры веществ
	Растворимые	Малорастворимые
Газ
Жидкость
Твердое вещество

А можете ли вы сказать о растворимости FeSO 4 ?

Как же быть?

Для того чтобы определить растворимость веществ в воде, мы будем пользоваться таблицей растворимости солей, кислот и оснований в воде. Она находится в приложениях к уроку.

В верхней строке таблицы – катионы, в левом столбце – анионы; ищем точку пересечения, смотрим букву – это и есть растворимость.

Определим растворимость солей: AgNO 3 , AgCl, CaSO 4 .

Растворимость увеличивается с ростом температуры (бывают исключения). Вы прекрасно знаете, что удобнее и быстрее растворять сахар в горячей, а не в холодной воде. Посмотрите "Тепловые явления при растворении"

Попробуйте сами, пользуясь таблицей, определить растворимость веществ.

Задание. Определить растворимость следующих веществ: AgNO 3 , Fe(OH) 2 , Ag 2 SO 3 , Ca(OH) 2 , CaCO 3 , MgCO 3 , KOH.

ОПРЕДЕЛЕНИЯ по теме «Растворы»

Раствор – однородная система, состоящая из молекул растворителя и растворённого вещества, между которыми происходят физические и химические взаимодействия.

Насыщенный раствор – это раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется.

Ненасыщенный раствор - это раствор, в котором при данной температуре вещество ещё может растворяться.

Суспензией называют взвесь, в которой мелкие частицы твёрдого вещества равномерно распределены между молекулами воды.

Эмульсией называют взвесь, в которой мелкие капельки какой-либо жидкости распределены между молекулами другой жидкости.

Разбавленные растворы - растворы с небольшим содержанием растворенного вещества.

Концентрированные растворы - растворы с большим содержанием растворенного вещества.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО:

По соотношению преобладания числа частиц, переходящих в раствор или удаляющихся из раствора, различают растворы на­сыщенные, ненасыщенные и пересыщенные . По относительным количествам растворенного вещества и растворителя растворы подразделяют на разбавленные и концентрированные .

Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, т.е. раствор, находящийся в равновесии с растворяемым веществом, называют насыщенным , а раствор, в котором еще можно растворить добавочное количество данного вещества, - ненасыщенным .

Насыщенный раствор содержит максимально возможное (для данных условий) количество растворенного вещества. Следова­тельно, насыщенным раствором является такой раствор, который находится в равновесии с избытком растворенного вещества. Концентрация насыщенного раствора (растворимость) для данно­го вещества при строго определенных условиях (температура, растворитель) - величина постоянная.

Раствор, содержащий растворенного вещества больше, чем его должно быть в данных условиях в насыщенном растворе, на­зывается пересыщенным . Пересыщенные растворы представляют собой неустойчивые, неравновесные системы, в которых наблю­дается самопроизвольный переход в равновесное состояние. При этом выделяется избыток растворенного вещества, и раствор ста­новится насыщенным.

Насыщенный и ненасыщенный растворы нельзя путать с разбавленным и концентрированным. Разбавленные растворы - растворы с небольшим содержанием растворен­ного вещества; концентрированные растворы - растворы с большим содержанием растворенного вещества. Необходимо подчеркнуть, что понятие разбавленный и концентрированный растворы являются относительными, выражающими только соот­ношение количеств растворенного вещества и растворителя в растворе.

Самым распространенным растворителем на нашей планете является вода. Тело среднего человека мас–сой 70 кг содержит примерно 40 кг воды. При этом около 25 кг воды приходится на жидкость внутри клеток, а 15 кг составляет внеклеточная жидкость, в которую входят плазма крови, межклеточная жидкость, спинно-моз-говая жидкость, внутриглазная жидкость и жидкое содержимое желудочно-кишечного тракта. У животных и растительных организмов вода составляет обычно бо–лее 50%, а в ряде случаев содержание воды достигает 90-95%.

Вследствие своих аномальных свойств вода – уни–кальный растворитель, прекрасно приспособленный для жизнедеятельности.

Прежде всего вода хорошо растворяет ионные и мно–гие полярные соединения. Такое свойство воды связа–но в значительной мере с ее высокой диэлектрической проницаемостью (78,5).

Другой многочисленный класс веществ, хорошо раст–воримых в воде, включает такие полярные органиче–ские соединения, как сахара, альдегиды, кетоны, спир–ты. Их растворимость в воде объясняется склонностью молекул воды к образованию полярных связей с поляр–ными функциональными группами этих веществ, на–пример с гидроксильными группами спиртов и сахаров или с атомом кислорода карбонильной группы альдеги–дов и кетонов. Ниже приведены примеры водородных связей, важных для растворимости веществ в биологи–ческих системах. Вследствие высокой полярности во–да вызывает гидролиз веществ.

Так как вода составляет основную часть внутренней среды организма, то она обеспечивает процессы всасывания, передвижения питательных веществ и продуктов обмена в организме.

Необходимо отметить, что вода является конечным продуктом биологического окисления веществ, в частно–сти глюкозы. Образование воды в результате этих про–цессов сопровождается выделением большого коли–чества энергии – приблизительно 29 кДж/моль.

Важны и другие аномальные свойства воды: высо–кое поверхностное натяжение, низкая вязкость, высо–кие температуры плавления и кипения и более высокая плотность в жидком состоянии, чем в твердом.

Для воды характерно наличие ассоциатов – групп молекул, соединенных водородными связями.

В зависимости от сродства к воде функциональные группы растворяемых частиц подразделяются на гид–рофильные (притягивающие воду), легко сольватируе-мые водой, гидрофобные (отталкивающие воду) и ди-фильные.

К гидрофильным группам относятся полярные функ–циональные группы: гидроксильная -ОН, амино -NH 2 , тиольная -SH, карбоксильная -СООН. К гидрофоб–ным – неполярные группы, например углеводородные радикалы: СНз-(СН 2) п -, С 6 Н 5 -. К дифильным отно–сят вещества (аминокислоты, белки), молекулы кото–рых содержат как гидрофильные группы (-ОН, -NH 2 , -SH, -СООН), так и гидрофобные группы: (СН 3 – (СН 2) п,- С 6 Н 5 -).

При растворении дифильных веществ происходит изменение структуры воды как результат взаимодей–ствия с гидрофобными группами. Степень упорядо–чения молекул воды, близко расположенных к гидро–фобным группам, увеличивается, и контакт молекул воды с гидрофобными группами сводится к миниму–му. Гидрофобные группы, ассоциируясь, выталки–вают молекулы воды из области своего расположения.