Вода как растворитель
Почему вода растворяет соли
Поваренная соль растворяется в воде, но не в бензине. Решётка \(\ce{NaCl}\) прочна — почти 800 кДж/моль, — и разрушить её может лишь среда, которая «предложит» ионам не меньше энергии. Вода предлагает: её молекулы полярны и плотно окружают каждый ион гидратной оболочкой.
Вторая причина — диэлектрическая проницаемость воды: \(\varepsilon = 78\) при 25 °C. Сила притяжения ионов в воде в 78 раз слабее, чем в вакууме, и ионы легко расходятся. У бензина \(\varepsilon \approx 2\) — соль в нём не растворяется.
Растворение — сумма двух процессов: разрушение решётки (затраты) и гидратация ионов (выигрыш). Их разность — теплота растворения, и она бывает любого знака.
| Вещество | \(\Delta H_\text{раств}\), кДж/моль | Что чувствуется |
|---|---|---|
| \(\ce{NH4NO3}\) | +25,7 | раствор сильно охлаждается |
| \(\ce{KNO3}\) | +34,9 | охлаждается |
| \(\ce{NaCl}\) | +3,9 | почти не меняется |
| \(\ce{NaOH}\) | −44,5 | разогревается |
| \(\ce{CaCl2}\) | −82,8 | сильно разогревается |
auto_awesomeХолод и тепло в пакете
Одноразовые «холодильные» пакеты для спортсменов содержат нитрат аммония и отдельную ампулу с водой: раздавив ампулу, получают пакет, остывающий до 0 °C и ниже. Греющие пакеты работают на хлориде кальция или на кристаллизации пересыщенного раствора ацетата натрия.
history_eduМенделеев и растворы
Дмитрий Менделеев много лет изучал растворы спирта в воде (его докторская диссертация 1865 года — «Рассуждение о соединении спирта с водою») и в 1887 году выпустил книгу «Исследование водных растворов по удельному весу». Он считал растворение химическим процессом — образованием непрочных соединений растворённого вещества с водой, гидратов. Сторонники «физической» теории Аррениуса спорили с ним; современная картина гидратированных ионов объединила обе точки зрения.
scienceВода как реагент при «растворении»
- \(\ce{CuSO4 + 5H2O -> CuSO4*5H2O}\) — белый безводный сульфат меди синеет: проба на воду.
- \(\ce{CoCl2 + 6H2O <=> [Co(H2O)6]Cl2}\) — синий хлорид кобальта становится розовым; индикатор влажности в силикагеле.
- \(\ce{AlCl3 + 3H2O -> Al(OH)3 + 3HCl}\) — безводный хлорид алюминия «шипит» в воде.
Что на самом деле есть в растворе
«Раствор аммиака» и «раствор хлороводорода» звучат одинаково, но частицы в них разные. Хлороводород реагирует с водой полностью: \(\ce{HCl + H2O -> H3O+ + Cl-}\) — молекул \(\ce{HCl}\) в растворе практически нет. Аммиак реагирует лишь частично: \(\ce{NH3 + H2O <=> NH4+ + OH-}\) — в 1 М растворе ионизировано меньше 0,5 % молекул. А из растворённого углекислого газа лишь около 0,2 % превращается в угольную кислоту — остальное просто гидратированные молекулы \(\ce{CO2}\).
| Раствор | Главные частицы |
|---|---|
| соляная кислота | \(\ce{H3O+}\), \(\ce{Cl-}\) |
| раствор аммиака | молекулы \(\ce{NH3}\) (немного \(\ce{NH4+}\) и \(\ce{OH-}\)) |
| «угольная кислота» | молекулы \(\ce{CO2}\), немного \(\ce{H2CO3}\), \(\ce{HCO3-}\), \(\ce{H+}\) |
| хлорная вода | \(\ce{Cl2}\), \(\ce{HOCl}\), \(\ce{H+}\), \(\ce{Cl-}\) |
| раствор \(\ce{CuSO4}\) | \(\ce{[Cu(H2O)6]^2+}\), \(\ce{SO4^2-}\) |
Поэтому формальная концентрация («0,1 М раствор \(\ce{CaCl2}\)») не равна концентрации каждой частицы: хлорид-ионов в нём 0,2 моль/л, а ионов всего 0,3 моль/л.
scienceРастворение, при котором вещество меняется
- \(\ce{2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2 ^}\) — «растворённый натрий» — это раствор щёлочи.
- \(\ce{Na2O2 + 2H2O -> 2NaOH + H2O2}\), затем \(\ce{2H2O2 -> 2H2O + O2 ^}\).
- \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\); \(\ce{P4O10 + 6H2O -> 4H3PO4}\) — в растворе уже кислоты.
- \(\ce{Cl2 + H2O <=> HCl + HOCl}\) — хлорная вода; на свету \(\ce{2HOCl -> 2HCl + O2}\), и она постепенно превращается в соляную кислоту.
errorКакое вещество считать растворённым
Если вещество реагирует с водой, массовую долю в получившемся растворе считают для продукта: растворив 7,8 г \(\ce{Na2O2}\) в воде, получают раствор \(\ce{NaOH}\), а масса раствора уменьшается на массу выделившегося кислорода.
push_pinГлавное
Вода растворяет соли, потому что её полярные молекулы гидратируют ионы (к катиону — кислородом, к аниону — водородом), а высокая диэлектрическая проницаемость (78) в 80 раз ослабляет притяжение ионов. Теплота растворения — баланс разрушения решётки и гидратации: \(\ce{NH4NO3}\) охлаждает, \(\ce{CaCl2}\) нагревает. «Растворённое вещество» и «частицы в растворе» — разные вещи: в растворе аммиака — в основном молекулы \(\ce{NH3}\), в хлорной воде — \(\ce{Cl2}\), \(\ce{HCl}\) и \(\ce{HOCl}\), в растворе натрия — уже щёлочь.
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.