§ 5. Розчинність речовин, її залежність від різних чинників

Одним з найкращих розчинників є вода. Вода здатна розчиняти багато речовин, що перебувають у різному агрегатному стані: газуватому, рідкому, твердому. Ми знаємо, що розчин — гомогенна (однорідна) суміш, що складається із двох або кількох речовин. Залежно від агрегатного стану розчиненої речовини й розчинника розчини поділяють на: рідкі, тверді (сплави) та газуваті.

Рідкі розчини утворюються внаслідок розчинення твердих, рідких чи газуватих речовин у рідкому дисперсійному середовищі (розчиннику).

Деякі речовини можуть розчинятися в спирті, ацетоні тощо.

Властивість речовини утворювати розчин з іншою речовиною називають розчинністю.

Є речовини, які змішуються з іншими речовинами в будь-яких пропорціях. Про них кажуть, що вони мають необмежену розчинність у даному розчиннику. Так, у воді може розчинитись будь-яка кількість етанолу, оцтової, сульфатної, нітратної кислот 1 .

1 Іноді буває важко визначити, яка з речовин є розчинником. Наприклад, кажуть про 70 %-й розчин спирту у воді, а не про 30 %-й розчин води в спирті; про розчинені у воді кислоти (незалежно від концентрації), а не про воду, розчинену в кислоті.

Більшість речовин має обмежену розчинність. Щоб перевірити обмеженість розчинності кухонної солі у воді, проведіть такий дослід. Візьміть склянку, об’єм якої 200 мл, налийте в неї 100 мл води. Додавайте невелику порцію (5-10 г) кухонної солі, щоразу перемішуючи розчин скляною паличкою. Після повного розчинення солі додавайте наступну порцію солі. У певний момент сіль, яку ви додали, не розчиниться, а залишиться в осаді, над яким утвориться насичений розчин.

Розчин, у якому за даних умов речовина більше не розчиняється в розчиннику, називають насиченим.

Про таку ситуацію кажуть, що настала динамічна рівновага (рівновага між частинками розчиненої й нерозчиненої речовин).

Якщо до насиченого розчину додати будь-яку кількість розчинника, то такий розчин стане ненасиченим.

Розчин, у якому за даних умов у розчиннику може розчинитися ще деяка кількість речовини, називають ненасиченим.

Інколи, характеризуючи розчин, ми вживаємо такі назви: концентрований розчин, розбавлений розчин.

Розчинність речовини S (від лат. solvere — розчиняти) — це здатність речовини розчинятись у розчиннику; визначається масою речовини, яка може розчинитись у 100 г розчинника, утворивши за даної температури насичений розчин.

Відомості про розчинність деяких речовин наведені в Таблиці розчинності кислот, основ і солей у воді за температури 20-25 °С (див. форзац):

• якщо у 100 г води розчиняється понад 1 г речовини, таку речовину вважають розчинною (у Таблиці позначають літерою «р»);
• якщо розчинність речовини від 0,001 г до 1 г, таку речовину вважають малорозчинною («м»);
• якщо розчинність речовини є меншою, ніж 0,001 г, таку речовину вважають нерозчинною («н»).

У таблиці також указані речовини, які не існують або не утворюють розчин, а розкладаються водою. Вони позначені так: «—».

Рис. 5.1. Залежність розчинності деяких твердих речовин у воді від температури

Залежність розчинності речовин у воді від їх будови

Розчинність залежить від хімічної природи розчинної речовини і розчинника. Більшість речовин йонної будови (КСl, ВаI₂) добре розчиняється у воді. Також у воді добре розчиняються речовини з полярним ковалентним типом зв’язку (H₂SO₄, HNO₃). Речовини з неполярним ковалентним типом зв’язку (Н₂, О₂, РН₃) мають незначну розчинність або практично не розчиняються.

Залежність розчинності твердих речовин у воді від температури

Розчинність більшості речовин змінюється залежно від температури. Таку залежність часто подають у вигляді таблиць або графіків.

За кривими розчинності можна встановити:

• 1) розчинність речовин за різних температур;
• 2) масу речовини, яка випаде в осад під час зміни температури.

Зазвичай з підвищенням температури зростає й розчинність твердих речовин (пряма залежність). Але інколи розчинність практично не залежить від температури (NaCl), а іноді навіть зменшується (CaSO₄) (обернена залежність). Якщо залежність пряма, то під час зниження температури розчину випадає осад і навпаки. Часто, щоб швидше приготувати насичений розчин, його нагрівають.

Залежність розчинності газоподібних речовин у воді від температури

Коли температура розчину зростає, розчинність газів зменшується. Це явище можна спостерігати під час нагрівання звичайної водопровідної води у прозорій скляній пробірці (колбі). Вода завжди містить якусь кількість розчинених газів повітря. Щойно ви внесете пробірку, наповнену холодною водою, у полум’я пальника, на її внутрішніх стінках почнуть з’являтись дрібні бульбашки повітря (1). За подальшого нагрівання на поверхні води збереться невеличка бульбашка (2).

Рис. 5.2. Утворення бульбашок повітря під час нагрівання води

Оскільки зважування газів — це доволі складна процедура, їх кількість зазвичай виражають не через масу, а через об’єм, обчислений за нормальних умов (н. у.), тобто за температури 0 °С і тиску 1 атм. Розчинність газів виражають у літрах газу на літр води. Розчинність різних газів відрізняється:

Таблиця 5.1. Розчинності деяких газів у воді (л/л води)

§ 27. Розчин

— які речовини розчиняються у воді, а які — не розчиняються?

Вода розчиняє багато речовин. Потрапляючи у воду, речовина під дією молекул води розпадається на окремі частинки, наприклад, цукор (сахароза) С₁₂Н₂₂О₁₁ та етиловий спирт С₂Н₆О у водних розчинах розпадаються на окремі молекули.

Приготуємо розчин мідного купоросу CuSO₄ • 5H₂O. Для цього на дно колби помістимо декілька грамів речовини та доллємо дистильованої води. При перемішуванні кристали розчиняться, а рідина у колбі набуде блакитного кольору.

Розчин може мати забарвлення (як у разі з мідним купоросом) або бути безбарвним (розчин кухонної солі), але при цьому він завжди прозорий, і в закритій посудині може зберігатись як завгодно довго, якщо розчинена речовина не вступає з водою у хімічну реакцію і не розкладається.

Якщо на дно високого циліндра з водою помістити великий кристал калій перманґанату KMnO₄, то можна спостерігати, як відбувається розчинення. На дні циліндра довкола кристала рідина забарвлюється в темно-фіолетовий колір, і досить швидко від кристала вверх потягнеться фіолетова цівка розчину. Лише згодом завдяки дифузії забарвлення стане рівномірним у всьому циліндрі.

Розчини — це однорідні суміші речовин.

Як і інші суміші, розчини не мають постійного складу.

Розчини бувають тверді, рідкі та газоподібні. Прикладами твердих розчинів є деякі сплави, наприклад, «електрон» — сплав срібла з золотом. Повітря можна розглядати як газоподібний розчин.

Речовину, що міститься в суміші в надлишку і в тому ж агрегатному стані, що й розчин, називають розчинником, а решту компонентів — розчиненими речовинами. У водних розчинах розчинником є вода. Крім води, розчинниками є інші рідини: етиловий спирт, гас тощо. Йодна настоянка, яку використовують для дезінфекції ран, є спиртовим розчином йоду. Змити фарбу з руки або одежі можна за допомогою шматочка вати, змоченої ацетоном або бензином. Ці речовини також є хорошими розчинниками.

В хімії умовно розрізняють розбавлені та концентровані розчини. Розчин, у якому міститься багато розчиненої речовини і, відповідно, мало розчинника, називають концентрованим. Розсіл — це концентрований розчин кухонної солі, а цукровий сироп — концентрований розчин цукру. В розбавленому розчині міститься мало розчиненої речовини. Підсолений суп та чай із цукром є прикладом розбавлених розчинів.

Зазвичай розчин розглядають як суміш розчинника та розчиненої речовини, оскільки розчини не мають постійного хімічного складу (мал. 90).

Проте при утворенні розчинів спостерігають деякі ознаки, які зазвичай супроводжують хімічні реакції. Наприклад, виділення або поглинання теплоти. Якщо додати до води сульфатну кислоту, температура розчину підвищується настільки сильно, що часто вода закипає. Розчинення кухонної солі або калійної селітри, навпаки, супроводжується охолодженням.

Властивості розчину також відрізняються від властивостей індивідуальних речовин. Водні розчини закипають при температурі понад 100 °С, а замерзають — менше 0 °С. На цій властивості ґрунтується використання солі для боротьби з ожеледицею: сіль, попадаючи на сніг та розчиняючись в ньому, утворює розчин, який замерзає лише при сильному морозі. Тверді солі, як і чиста вода, не проводять електричного струму, проте розчини солей електропровідні.

Отже, за деякими ознаками розчини нагадують суміші, а за іншими вони подібні до хімічних сполук. Тому процес розчинення вважають фізико-хімічним явищем.

Мал. 90. Нікель хлорид (а) і його водний розчин (б).

Здатність речовини розчинятись у воді називають розчинністю. За розчинністю речовини умовно поділяють на добре розчинні, малорозчинні та практично нерозчинні.

Помістимо в різні пробірки приблизно однакові кількості калійної селітри (калій нітрату) KNO₃, кухонної солі (натрій хлориду) NaCl, гіпсу (кальцій сульфату, дигідрату) CaSO₄ • 2H₂O і крейди (кальцій карбонату) CaCO₃. Доллємо до них дистильованої води і розмішаємо скляною паличкою. Селітра та кухонна сіль розчиняються повністю — вони добре розчинні у воді. В пробірках з гіпсом і крейдою залишаться білі осади. Відфільтруємо їх, а фільтрати випаруємо в порцелянових чашках. При випарюванні розчину гіпсу на дні чашки залишиться білий порошок, тоді як наліт крейди в другому випадку практично непомітний. Це означає, що гіпс трохи розчиняється у воді, проте і не так добре, як кухонна сіль чи селітра. Крейда у воді практично нерозчинна.

Якщо внаслідок хімічної реакції утворюється речовина, малорозчинна або практично нерозчинна у воді, то вона виділяється з розчину у вигляді осаду — розчин стає каламутним.

Дані про розчинність деяких неорганічних речовин подано у таблиці розчинності (див. форзац підручника).

У таблиці літерою «р» позначено речовину, яка добре розчиняється у воді; літерою «м» — малорозчинну речовину, «н» — нерозчинну. У деяких клітинках таблиці стоїть прочерк. Це означає, що ця речовина або вступає з водою у хімічну реакцію та не може існувати у водному розчині, або таку речовину взагалі не вдається отримати.

Усі тверді речовини лише обмежено розчинні у воді. Їх розчинність виражають числом. Воно показує найбільшу масу речовини, яка може розчинитися у 100 г води за певних умов.

РОЗЧИННІСТЬ ДЕЯКИХ РЕЧОВИН У ВОДІ ПРИ 20 °С

Речовина

Розчинність, г на 100 г води

Кухонна сіль NaCl

Харчова сода NaHCO₃

Мідний купорос CuSO₄ • 5H₂O

Калій перманґанат KMnO₄

Барій сульфат BaSO₄

Наприклад, у 100 г води при 20 °С можна розчинити не більше 32 г KNO₃, 36 г NaCl, 0,25 г СаSО₄ • 2H₂O, і 0,007 г CaCO₃. Ці показники можна знайти в довідниках.

Зверніть увагу: навіть крейда, яку вважають практично нерозчинною, насправді незначною мірою переходить у розчин. Абсолютно нерозчинних речовин немає! Навіть благородні метали, наприклад срібло, здатні незначною мірою розчинятися. Недаремно вода, яку зберігають у срібному посуді, має цілющі властивості. Раніше її використовували для промивання ран.

Розчинність речовин залежить від температури. Для більшості твердих речовин з підвищенням температури (мал. 91, а) вона помітно збільшується. Кухонна сіль розчиняється однаково як у холодній, так і в гарячій воді. А вапно і гіпс краще розчиняються у холодній воді (мал. 91, б).

Мал. 91. Криві розчинності деяких речовин

Дослідним шляхом встановлено, що при температурі 0 °С у 100 г води можна розчинити не більш ніж 13 г калійної селітри KNO₃, при 20 °С — 32 г, при 40 °С — 64 г, при 60 °С — 110 г, а при 100 °С — 246 г. Використавши ці дані, можна побудувати криву розчинності.

Розчин, у якому речовина ще може розчинитись при певній температурі, називають ненасиченим. Ненасиченим, наприклад, є розчин, отриманий додаванням 5 г кухонної солі до 100 г води.

Розчин, у якому при певній температурі речовина більше не розчиняється, називають насиченим. Наприклад, розчинність кухонної солі за кімнатної температури становить 36 г в 100 г води. Отже, для приготування насиченого розчину потрібно розчинити 36 г солі в 100 г води. Маса розчину при цьому дорівнює 136 г.

При повільному охолодженні насичених розчинів багатьох солей або при поступовому випаровуванні води сіль виділяється з розчину у вигляді великих кристалів. Кристали різних солей відрізняються за формою. Так, кристали кухонної солі зазвичай мають кубічну форму, алюмокалієвий галун KAl(SO₄)₂ • 12H₂O виділяється з розчинів у вигляді октаедрів, калійна селітра у вигляді довгих голок, а мідний купорос утворює яскраво-сині призми (мал. 92).

Для отримання великих кристалів мідного купоросу потрібно приготувати розчин солі, насичений при підвищеній температурі. Для цього потрібно розчинити при нагріванні 44 г мідного купоросу в 100 мл дистильованої води, а потім залишити розчин повільно охолоджуватись. Наступного дня на дні посудини з’являться призматичні кристали.

Мал. 92. Форми кристалів: а — кухонної солі; б — галуна; в — калійної селітри; г — мідного купоросу

Рідини та гази, як і тверді речовини, здатні розчинятися у воді. Деякі рідини, наприклад, етиловий спирт, гліцерин, ацетон, сульфатна, нітратна та оцтова кислоти, необмежено розчинні у воді — їх можна змішувати з водою у будь-яких співвідношеннях. Бензин, гас, олія, хлороформ і багато інших рідин лише незначно розчиняються у воді, а тому їх вважають практично нерозчинними. Якщо таку рідину, наприклад олію, вилити у воду і перемішати, то з часом утворюються два різні шари — верхній (олія) і нижній (вода). Про такі рідини кажуть, що вони не змішуються.

Гази також відрізняються за розчинністю. Найбільшу розчинність у воді мають хлороводень HCl і аміак NH₃. При температурі 0 °С і атмосферному тиску в 1 л води можна розчинити 500 л хлороводню і 1200 л аміаку. Водний розчин хлороводню називають хлоридною кислотою, а розбавлений водний розчин аміаку — нашатирним спиртом. Розчинність інших газів у воді суттєво нижча. Наприклад, у тих самих умовах в 1 л води розчиняється лише 1,7 л вуглекислого газу, 50 мл кисню, 23 мл азоту і 21,5 мл водню. Найменше з усіх газів розчинний гелій — 9,7 мл в 1 л води.

Якщо холодну водогінну воду нагріти, не доводячи її до кипіння, то на дні та стінках посудини утворюються бульбашки повітря, яке виділяється з води. Це пояснюється тим, що розчинність усіх газів зменшується з підвищенням температури (мал. 93).

Мал. 93. Криві розчинності деяких газів у воді

На відміну від рідин і твердих тіл, гази значно краще розчиняються при підвищенні тиску. Вам, очевидно, доводилося відкривати пластикову пляшку з газованою водою. При виготовленні цього напою воду насичують вуглекислим газом при підвищеному тиску, а пляшку герметично закривають. Коли відкрити пляшку, тиск у ній вирівнюється з атмосферним, а надлишковий вуглекислий газ починає виділятися, інколи настільки бурхливо, що разом з ним із пляшки виливається частина рідини.

Запам’ятайте: розчинність газів зростає з пониженням температури і підвищенням тиску.

Мал. 94. Вирощування кристалів алюмінієвих галунів.

• . алхіміки вважали, що речовини не можуть вступати у хімічні реакції, якщо вони не розчинені. Тому, поряд із «філософським каменем», алхіміки шукали й універсальний розчинник «алькагест» — речовину, яка розчиняє все! Проте, досліди алхіміків з метою отримання універсального розчинника були безрезультатними.
• . сучасні хіміки більш як 99% перетворень речовин здійснюють у розчинах.
• . речовини розчиняються не лише у воді, а й у спирті, бензолі, сірковуглеці, ртуті та інших речовинах.

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Вирощування кристалів

Отримайте великі кристали галунів чи кухонної солі. Для цього приготуйте насичений розчин солі, додаючи її до води доти, поки вона не перестане розчинятися, потім одержаний розчин профільтруйте, закрийте посудину шматком матерії чи фільтрувального паперу і поставте в тепле місце. Через декілька днів на дні посудини з’являться невеликі кристали. Виберіть один найбільш правильний кристал, перенесіть його в іншу посудину і залийте тим самим розчином. Кристал буде повільно рости. Щоб він ріс рівномірно, щодня пінцетом повертайте його, а також у разі необхідності доливайте розчин. Якщо у розчині з’являться нові кристали, їх потрібно видалити, користуючись пінцетом. Можна опустити в посудину з розчином нитку, і коли на ній осядуть декілька кристалів, витягнути її, очистити, залишивши на ній лише один правильно сформований кристал, а потім знову занурити в розчин. У такому разі повертати кристал не треба (мал. 94). Якщо опустити в насичений розчин кухонної солі дріт, обмотаний вовняною ниткою, можна отримати ціле намисто з дрібних кристалів.

ВИСНОВКИ

• Розчини — це однорідні суміші речовин.
• Речовину, що є в суміші в надлишку і в тому ж агрегатному стані, що й розчин, називають розчинником, а решту компонентів — розчиненими речовинами.
• Тверді речовини мають різну розчинність у воді. Розчинність більшості твердих речовин зростає з підвищенням температури. Розчинність газів зменшується при підвищенні температури розчину і збільшується при підвищенні тиску.
• Розчини поділяють на насичені та ненасичені, розбавлені та концентровані.

Початковий рівень

• 1. Що в хімії називають розчином? Які бувають розчини?
• 2. Наведіть приклади речовин, розчинність яких при нагріванні:

в) майже не змінюється.

• 3. Які ви знаєте рідини і гази, добре розчинні у воді?
• 4. Чому акваріуми не можна заповнювати перевареною водою?

Середній рівень

• 5. Дайте визначення понять: «розчинник», «розчинена речовина», «розчинність», «насичений розчин», «концентрований розчин».
• 6. У воду випадково потрапив бензин. Як його можна відокремити від води? Чи буде вода мати запах бензину, якщо розділення проводити:

а) в ділильній лійці;

б) шляхом дистиляції?

Достатній рівень

• 7. Медичний спирт є розчином, у 100 г якого міститься 96 г спирту і 4 г води. Чи можна однозначно відповісти на питання, що у цьому разі є розчинником, а що — розчиненою речовиною? Розбавлений цей розчин чи концентрований?
• 8. Розчин калійної селітри, насичений при 80 °С, охолодили до кімнатної температури. Що ви будете спостерігати?
• 9. Які з перелічених газів — кисень, хлороводень, вуглекислий газ, азот, аміак, гелій — можна збирати:

б) лише витісненням повітря? Чому?

Високий рівень

• 10. У 100 г води при 20 °С розчинили 32 г кухонної солі. Чи буде цей розчин:

• 11. Взимку на дні затоки Кара-Богаз-Гол у Каспійському морі утворюється товстий шар мірабіліту Na₂SO₄ • 10H₂O, а влітку він зникає. Чому? В яку пору року вода в Кара-Богаз-Голі є насиченим розчином?
• 12. При атмосферному тиску і кімнатній температурі в 1 л води можна розчинити 880 мл вуглекислого газу, а при тискові, що створюється у закритій пляшці — майже 1600 мл. Який об’єм вуглекислого газу виділиться, якщо відкоркувати пляшку газованої води об’ємом 2 л? Більше чи менше газу виділиться, якщо попередньо охолодити пляшку?

Додаткове завдання

• 13. Яка мінімальна маса води, у якій за кімнатної температури можна розчинити 1 г кухонної солі, калійної селітри, крейди?
• 14. За кривою розчинності кухонної солі (див. мал. 91) визначте, яку масу її можна розчинити в 1 кг води при кімнатній температурі.

Розчинення солі у воді – це хімічна чи фізична зміна?

Коли ви розчиняєте кухонну сіль (хлорид натрію, також відомий як NaCl) у воді, відбувається хімічна чи фізична зміна? Що ж, хімічна зміна передбачає хімічну реакцію , у результаті якої утворюються нові речовини. Фізична зміна, з іншого боку, призводить до зміни зовнішнього вигляду матеріалу, але не призводить до появи нових хімічних продуктів.

Чому розчинення солі є хімічною зміною

Коли ви розчиняєте сіль у воді, хлорид натрію дисоціює на іони Na ​​+ і Cl – , що можна записати у вигляді хімічного рівняння :

NaCl(s) → Na + (водн.) + Cl – (водн.)

Отже, розчинення солі у воді є хімічною зміною. Реагент (хлорид натрію або NaCl) відрізняється від продуктів (катіон натрію та аніон хлору).

Таким чином, будь-яка іонна сполука, яка розчинна у воді, зазнає хімічних змін. Навпаки, розчинення ковалентної сполуки, наприклад цукру, не призводить до хімічної реакції. Коли цукор розчиняється, молекули розсіюються у воді, але вони не змінюють свою хімічну ідентичність.

Чому деякі люди вважають розчинення солі фізичною зміною

Якщо ви шукатимете відповідь на це запитання в Інтернеті, ви побачите приблизно однакову кількість відповідей, які стверджують, що розчинення солі є фізичною зміною, а не хімічною. Плутанина виникає через один загальний тест, який допомагає відрізнити хімічні зміни від фізичних: чи можна вихідний матеріал у зміні відновити за допомогою лише фізичних процесів. Якщо ви кип’ятите воду з розчину солі, ви отримаєте сіль.