Вода как растворитель
Почему вода растворяет соли
Поваренная соль растворяется в воде, но не в бензине. Между тем на разрушение кристаллической решётки \(\ce{NaCl}\) требуется почти 800 кДж/моль. Растворение становится возможным благодаря взаимодействию ионов с молекулами воды: кислород в молекуле воды несёт частичный отрицательный заряд, а атомы водорода — частичный положительный. Поэтому молекулы воды обращены к катионам атомами кислорода, а к анионам — атомами водорода.
Окружение частиц молекулами воды называют гидратацией, а слой молекул воды вокруг иона — гидратной оболочкой. При гидратации выделяется энергия, которая частично или с избытком возмещает затраты на разрушение решётки. Полярные молекулы растворённого вещества также взаимодействуют с водой: её молекулы притягиваются к их участкам с частичными зарядами.
Ионам легче разойтись в воде ещё и потому, что она ослабляет их электростатическое притяжение. Эту способность среды характеризует диэлектрическая проницаемость: для воды \(\varepsilon = 78\) при 25 °C. При одинаковом расстоянии между ионами сила их притяжения в воде в 78 раз меньше, чем в вакууме. У бензина \(\varepsilon \approx 2\), поэтому он не способствует разделению и гидратации ионов, и соль в нём не растворяется.
Таким образом, при растворении соли энергия затрачивается на разрушение решётки и выделяется при гидратации ионов. Результат этих процессов характеризует теплота растворения: она показывает, поглощается тепло при растворении или выделяется. Обозначаемое \(\Delta H_\text{раств}\) изменение энтальпии бывает положительным и отрицательным. Положительное значение не препятствует растворению: при переходе ионов из кристалла в раствор увеличивается число возможных способов их распределения.
| Вещество | \(\Delta H_\text{раств}\), кДж/моль | Изменение температуры |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO3}\) | +25,7 | Раствор сильно охлаждается. |
| \(\ce{KNO3}\) | +34,9 | Раствор охлаждается. |
| \(\ce{NaCl}\) | +3,9 | Температура раствора почти не меняется. |
| \(\ce{NaOH}\) | −44,5 | Раствор разогревается. |
| \(\ce{CaCl2}\) | −82,8 | Раствор сильно разогревается. |
auto_awesomeХолод и тепло в пакете
Одноразовые охлаждающие пакеты для спортсменов содержат нитрат аммония и отдельную ампулу с водой. Если раздавить ампулу, соль начинает растворяться, а пакет остывает до 0 °C и ниже. Греющие пакеты используют теплоту растворения хлорида кальция или теплоту кристаллизации пересыщенного раствора ацетата натрия.
history_eduМенделеев и растворы
Дмитрий Менделеев много лет изучал растворы спирта в воде. Его докторская диссертация 1865 года называлась «Рассуждение о соединении спирта с водою», а в 1887 году он выпустил книгу «Исследование водных растворов по удельному весу». Менделеев считал растворение химическим процессом, при котором образуются непрочные соединения растворённого вещества с водой — гидраты. С ним спорили сторонники «физической» теории Аррениуса. Современное представление о гидратированных ионах объединяет представления о взаимодействии вещества с водой и о существовании ионов в растворе.
Иногда вода не только окружает частицы вещества, но и вступает с ним в реакцию. Поэтому при описании полученного раствора нужно учитывать, какие вещества образовались при контакте с водой.
scienceВода как реагент при растворении
- \(\ce{CuSO4 + 5H2O -> CuSO4*5H2O}\) — при взаимодействии с водой белый безводный сульфат меди образует синий кристаллогидрат; это изменение окраски используют как пробу на воду.
- \(\ce{CoCl2 + 6H2O <=> [Co(H2O)6]Cl2}\) — при гидратации синий хлорид кобальта становится розовым; это изменение окраски используют в индикаторах влажности на силикагеле.
- \(\ce{AlCl3 + 3H2O -> Al(OH)3 + 3HCl}\) — безводный хлорид алюминия при контакте с водой шипит; уравнение показывает предельный результат гидролиза, но в водном растворе гидролиз не протекает до конца.
Что на самом деле есть в растворе
Название раствора указывает на исходное вещество, но не всегда показывает, какие частицы присутствуют в воде. Например, хлороводород практически полностью реагирует с водой: \(\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}\). Поэтому молекул \(\ce{HCl}\) в растворе почти нет. Аммиак, напротив, реагирует с водой лишь частично: \(\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}\). В 1 М растворе ионизировано меньше 0,5 % его молекул.
Растворённый углекислый газ также лишь в небольшой степени превращается в другое вещество: около 0,2 % его молекул образуют угольную кислоту. Остальные остаются гидратированными молекулами \(\ce{CO2}\). Следовательно, при описании раствора важно различать исходное растворённое вещество и частицы, которые действительно в нём находятся.
| Раствор | Частицы в растворе |
|---|---|
| Соляная кислота | Преобладают ионы \(\ce{H3O+}\) и \(\ce{Cl-}\). |
| Раствор аммиака | Преобладают молекулы \(\ce{NH3}\); ионов \(\ce{NH4+}\) и \(\ce{OH-}\) немного. |
| «Угольная кислота» | Преобладают молекулы \(\ce{CO2}\); в меньших количествах присутствуют \(\ce{H2CO3}\), \(\ce{HCO3-}\) и \(\ce{H+}\). |
| Хлорная вода | Присутствуют молекулы \(\ce{Cl2}\) и \(\ce{HOCl}\), а также ионы \(\ce{H+}\) и \(\ce{Cl-}\). |
| Раствор \(\ce{CuSO4}\) | Присутствуют ионы \(\ce{[Cu(H2O)6]^2+}\) и \(\ce{SO4^2-}\). |
Концентрацию, рассчитанную по количеству исходного растворённого вещества, называют формальной концентрацией. Она не обязательно равна концентрации каждого вида частиц. Например, «0,1 М раствор \(\ce{CaCl2}\)» содержит 0,2 моль/л хлорид-ионов, а суммарная концентрация ионов составляет 0,3 моль/л.
Особенно важно учитывать реакции с водой, когда исходное вещество при приготовлении раствора превращается в другое. В таком случае состав раствора определяют по продуктам реакции, а не по одному лишь названию добавленного вещества.
scienceРастворение, при котором вещество меняется
- \(\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}\) — при взаимодействии натрия с водой образуется раствор щёлочи, а не раствор металлического натрия.
- \(\ce{Na2O2 + 2H2O -> 2NaOH + H2O2}\), затем \(\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2 ^}\) — при взаимодействии пероксида натрия с водой образуются гидроксид натрия и пероксид водорода; затем пероксид водорода разлагается с выделением кислорода.
- \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\); \(\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}\) — при взаимодействии этих оксидов с водой образуются кислоты.
- \(\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HOCl}\) — хлор частично реагирует с водой; на свету \(\ce{2HOCl -> 2HCl + O2}\), поэтому хлорная вода постепенно превращается в раствор соляной кислоты.
errorКакое вещество считать растворённым
Если исходное вещество реагирует с водой, массовую долю в получившемся растворе рассчитывают для продукта реакции. При взаимодействии 7,8 г \(\ce{Na2O2}\) с водой образуются \(\ce{NaOH}\) и пероксид водорода; после разложения пероксида водорода получают раствор \(\ce{NaOH}\). Массу этого раствора находят, вычитая массу выделившегося кислорода из суммарной массы исходных веществ.
push_pinГлавное
Вода растворяет соли благодаря гидратации ионов: её полярные молекулы обращены к катионам атомами кислорода, а к анионам — атомами водорода. Диэлектрическая проницаемость воды равна 78, поэтому притяжение ионов в ней ослабляется примерно в 80 раз по сравнению с вакуумом. Теплота растворения зависит от затрат энергии на разрушение решётки и её выделения при гидратации: раствор \(\ce{NH4NO3}\) охлаждается, а раствор \(\ce{CaCl2}\) нагревается. Название растворённого вещества не всегда совпадает с составом частиц в растворе: в растворе аммиака преобладают молекулы \(\ce{NH3}\), в хлорной воде присутствуют молекулы \(\ce{Cl2}\) и \(\ce{HOCl}\), а также ионы \(\ce{H+}\) и \(\ce{Cl-}\), а при взаимодействии натрия с водой образуется раствор щёлочи.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.