Растворители и растворимость

Как определить растворитель и принцип избирательности

Чтобы назвать компонент смешанной фазы растворителем, опираются на два критерия:

1. Агрегатное состояние: растворитель определяет фазу. Водный раствор соли — это жидкость, потому что вода жидкая.
2. Количественный фактор: если смешиваются две жидкости, растворителем назначают ту, чье количество вещества (в молях) больше. Например, в смеси из 56% этанола и 44% воды растворителем будет вода, так как молей воды в такой порции в два раза больше.

Прогноз растворимости базируется на правиле «подобное растворяется в подобном». Вода отлично справляется с кислородсодержащими молекулами и бинарными солями. Органические жидкости (бензол, гексан, дихлорэтан, спирты) растворяют органику. Например, жирное пятно не смыть водой, но легко растворить бензином.

Стадии насыщения раствора

Способность вещества переходить в раствор имеет предел. В зависимости от концентрации выделяют три состояния системы:

• Ненасыщенный раствор: добавленное вещество продолжает активно растворяться.
• Насыщенный раствор: достигается равновесие между осадком и растворенным веществом. При данной температуре вещество больше не переходит в жидкую фазу. Добавление новых порций лишь увеличит массу осадка на дне, но концентрация раствора не изменится.
• Пересыщенный раствор: метастабильная (неустойчивая) система, где растворено больше вещества, чем допускает предел насыщения. Обычно получается при аккуратном охлаждении. При отсутствии центров кристаллизации осадок не выпадает, но малейшее воздействие (трение палочкой, брошенный кристалл-затравка) вызывает мгновенную кристаллизацию. Яркий пример — ацетат натрия, который при кристаллизации превращается в «горячий лед».

Термодинамика и температурная зависимость

Само растворение — это комбинация двух разнонаправленных энергетических процессов. Разрушение кристаллической решетки требует затрат энергии (температура падает — эндотермический физический процесс). Взаимодействие частиц с растворителем, например образование гидратов, выделяет энергию (температура растет — экзотермический химический процесс).

В зависимости от того, какой процесс преобладает, раствор может разогреваться (как с хлоридом кальция) или сильно охлаждаться (как с нитратом аммония). Из этого вытекает термодинамическое правило:

• Если растворение поглощает тепло, то нагревание увеличит растворимость.
• Если растворение выделяет тепло, то нагревание снизит растворимость.

Для газов правило однозначно: при нагревании жидкости растворимость любых газов всегда уменьшается. Кипячением можно полностью удалить растворенные газы из воды.

Особенности растворимости газов и жидкостей

Помимо твердых веществ, растворяться могут газы и другие жидкости:

• Жидкости в жидкостях: могут смешиваться неограниченно (вода и спирт), иметь ограниченную растворимость с расслоением фаз (вода и эфир) или не смешиваться вовсе (вода и ртуть).
• Газы в жидкостях: в отличие от твердых веществ, растворимость газов напрямую зависит от давления. При открытии бутылки шампанского давление резко падает, раствор становится пересыщенным, и углекислый газ бурно выделяется. В смесях газов растворимость каждого компонента зависит от его парциального давления (закон Генри — Дальтона).

Что ещё разобрать по теме

• Расчет массовой доли в насыщенном растворе через коэффициент Ks
• Математический аппарат закона Генри — Дальтона
• Стехиометрия приготовления растворов из кристаллогидратов
• Перекристаллизация как метод очистки твердых веществ от примесей
• Анализ графиков зависимости растворимости солей от температуры

Другие темы раздела «Глава 4. Растворы»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.