Механизм процесса растворения кратко

Обновлено: 30.06.2024

При растворении частиц вещества происходят физические и химические взаимодействия этих частиц с молекулами растворителя.

Сторонники физической теории растворов , которую развивали Вант-Гофф, Аррениус и Оствальд, считали, что процесс растворения является результатом диффузии, т. е. проникновения растворённого вещества в промежутки между молекулами воды.

В противоположность представлениям физической теории растворов Д. И. Менделеев и сторонники химической теории растворов доказывали, что растворение является результатом химического взаимодействия растворённого вещества с молекулами воды. В результате химического взаимодействия растворённого вещества с водой образуются соединения — гидраты.

Растворы — однородные (гомогенные) системы, в состав которых входят: растворенные вещества, растворитель и (возможно) продукты химической реакции, протекающей между ними.

Особенностью растворенного вещества является равномерное распределение в объеме вещества, которое играет роль растворителя. Для раствора характерно содержание двух и более компонентов.

жидкие;
твердые;
газообразные.

Растворитель представляет собой вещество, сохраняющее стабильность агрегатного состояния в процессе растворения.

Когда смешивают вещества с идентичными агрегатными состояниями, к примеру, жидкость с жидкостью, газ с газом, твердый материал с твердым, роль растворителя играет компонент с большим содержанием. Процесс, при котором образуется раствор, определяется особенностью взаимодействия частиц растворителя с частицами растворенного вещества и их природой.

Растворение является физико-химическим процессом, в котором можно наблюдать взаимодействие частиц между собой, что приводит к образованию раствора.

Растворение представляет собой результат взаимодействия молекул вещества, играющего роль растворителя, с частицами растворенного вещества. При растворении твердых веществ наблюдают увеличение энтропии. В процессе растворения газообразных веществ энтропия уменьшается. Растворение сопровождается исчезновением межфазной границы, изменением физических свойств раствора, в том числе плотности, вязкости, в некоторых случаях, окраски.

Когда растворитель и растворенное вещество участвуют в химическом взаимодействии, можно наблюдать изменение химических свойств раствора. В качестве примера можно привести растворение газа хлороводорода в воде, результатом которого является образование жидкой соляной кислоты.

Теплота растворения зависит от природы компонентов раствора.

Например: если растворяются кристаллические вещества с растворимостью, увеличивающейся при повышении температуры, то раствор охлаждается. Это объясняется тем, что раствор обладает большей внутренней энергией по сравнению с аналогичными характеристиками кристаллического вещества и растворителя, взятых по отдельности. Как пример, можно рассмотреть кипяток, в котором происходит растворение сахара. В результате раствор значительно охлаждается.

Основные этапы: физическая и химическая стадия

Этапы растворения кристаллических веществ в водной среде:

Кристаллическая решетка разрушается, что является физической стороной процесса. В результате поглощается теплота, то есть ∆ Н 1 > 0 .
Частицы вещества взаимодействуют с молекулами растворителя, что соответствует химической стороне процесса. В итоге выделяется теплота, то есть ∆ Н 2 0 .
Суммарный тепловой эффект: ∆ Н = ∆ Н 1 + ∆ Н 2

Классификация растворов в зависимости от механизма растворения:

Физическим растворением называют процесс разрыва и образования лишь межмолекулярных связей, в том числе, водородных.

Физическое растворение можно наблюдать только в случае определенных веществ, выполняющих роль растворителя и растворенного вещества, не вступающих в химические реакции между собой. К примеру, нафталин растворяется в спирте.

Химическое растворение является видом растворения, которое предполагает разрушение исходных химических связей в процессе химического превращения.

Например: химическое растворение протекает при электрической диссоциации растворяемого вещества.

При растворении имеет место следующая закономерность: подобное хорошо растворяется в подобном. Так, в неполярных растворителях хорошо растворяются неполярные вещества. Полярными растворителями целесообразно растворять полярные вещества. Благодаря исследованиям механизмов растворения, природы растворяемых веществ и растворителей, определяют степень растворимости одного вещества в другом.

Признаки химического взаимодействия при растворении

Сахар растворяется в воде. Раствор приобретает сладкий вкус.
Краситель растворяется в воде. В результате раствор приобретает определенную окраску.

Признаками химических явлений являются:

теплота выделяется, либо поглощается;
окраска некоторых соединений меняется в процессе образования растворов.

Процесс растворения нитрата аммония в воде сопровождается сильным поглощением теплоты, что объясняет охлаждение раствора. На данном эффекте основан принцип действия гипотермического пакета, который входит в состав автомобильной аптечки для оказания первой медицинской помощи.

Безводный сульфат меди (II) обладает белой окраской. Когда вещество растворяют в воде, раствор окрашивается в голубой цвет.

Факторы растворимости веществ

Растворимость представляет собой свойство вещества растворяться в каком-либо растворителе.

Мера растворимости при заданных условиях определена содержанием данного вещества в насыщенном растворе. Существует условная классификация веществ в зависимости от их способности растворяться:

малорастворимые (от 0,001 до 1 грамма растворенного вещества на 100 грамм растворителя);
растворимые (больше 1 г растворенного вещества на 100 г растворителя);
нерастворимые (менее 0,001 г растворенного вещества на 100 г растворителя).

Когда вещество контактирует с водной средой, можно получить следующий результат:

Вещество растворяется в воде, то есть происходит перемешивание на атомно-молекулярном уровне.
Химическая реакция.
Отсутствие растворения, химическая реакция не наблюдается.

Коэффициент растворимости определяется, как отношение массы растворенного вещества к массе растворителя (к примеру, 10 г соли на 100 г воды).

В зависимости от того, какой концентрацией обладает растворенное вещество, растворы условно разделяют на:

ненасыщенные;
насыщенные;
перенасыщенные.

Ненасыщенные растворы — это те, в которых концентрация растворенного вещества меньше по сравнению с концентрацией в соответствующем насыщенном растворе. Особенность ненасыщенного раствора заключается в возможности при заданных условиях растворить в нем еще определенное количество растворенного вещества.

Насыщенные растворы представляют собой растворы с максимальной концентрацией растворенного вещества при заданных условиях.

В некоторых случаях нет необходимости создавать специальные условия для приготовления насыщенного раствора. Эксперимент можно поставить в домашних условиях.

При смешивании поваренной соли с водой образуется раствор. Когда смесь становится насыщенной, поваренная соль перестает растворяться в воде, так как достигнута ее максимальная концентрация.

Перенасыщенным раствором называют такой раствор, в котором растворенное вещество находится в концентрации, превышающей его концентрацию в насыщенном растворе.

Излишки растворенного вещества достаточно просто выпадают в виде осадка. Для получения перенасыщенного раствора можно, к примеру, охладить насыщенный раствор, компонентами которого являются поваренная соль и вода. В том случае, когда температура снижается, уменьшается растворимость поваренной соли. В результате получают перенасыщенный раствор.

В зависимости от концентрации растворенного вещества растворы бывают:

Концентрированные растворы являются растворами, для которых характерно относительно высокое содержание растворенного вещества.

Разбавленные растворы представляют собой растворы, в которых растворенное вещество характеризуется относительно низким содержанием.

Подобная классификация является условной и не зависит от деления раствора по насыщенности. Разбавленный раствор может являться насыщенным. Концентрированный раствор не во всех случаях можно отнести к насыщенным растворам.

Растворимость ( Р , χ и л и k s ) характеризует насыщенный раствор и определяет максимальную массу растворенного вещества, которое растворяется в 100 г растворителя. Размерность растворимости составляет г/ 100 г воды.

χ = m р . в . m р - л я * 100

где m р.в. определяет массу растворенного вещества, г;

m р-ля является массой растворителя, г.

В некоторых случаях допустимо обозначать коэффициент растворимости k s . Показатели растворимости вещества, которое взаимодействует с разными растворителями, могут изменяться в широком диапазоне значений.

Растворимость некоторых веществ в воде при температуре 20 °C:

Растворимость веществ зависит от нескольких факторов:

природа растворенного вещества и растворителя;
температура;
давление;
посторонние вещества.

Абсолютно нерастворимых веществ не существует. Все вещества лишь условно классифицируют на растворимые, малорастворимые и нерастворимые. Даже такие материалы, как серебро и золото, частично растворяются в воде. С другой стороны, растворимость этих металлов столь мала, что ей допустимо пренебречь.

Растворимость, которой характеризуются твердые вещества, определяется структурой этих веществ, то есть типом кристаллической решетки. К примеру, вещества с металлическими кристаллическими решетками, в том числе железо и медь, отличаются малой растворимостью в воде. Вещества, для которых характерна ионная кристаллическая решетка, обычно хорошо растворяются в воде.

Подобное хорошо растворяется в подобном.

Согласно озвученному правилу, вещества, обладающие связями ионного или ковалентного полярного типа, хорошо растворяются в полярных растворителях. В качестве примера можно привести соли, которые характеризуются хорошей растворимостью в воде. С другой стороны, неполярные вещества в распространенных случаях способны хорошо растворяться в неполярных растворителях.

В большинстве своем соли щелочных металлов и аммония хорошо растворяются в водной среде. Высокой степенью растворимости характеризуются практически все нитраты, нитриты, многие галогениды, за исключением галогенидов серебра, ртути, свинца, таллия, и сульфаты, кроме сульфатов щелочноземельных металлов, серебра и свинца. Сульфиды, фосфаты, карбонаты, некоторые другие соли переходных металлов обладают небольшими показателями растворимости.

Растворимость газообразных веществ в жидких средах определяется их природой. К примеру, в 100 объемах воды при температуре 20 °C можно растворить 2 объема водорода, 3 объема кислорода. При аналогичных условиях в 1 доле воды можно растворить 700 объемов аммиака.

Процесс растворения газообразных веществ в воде, как результат гидратации молекул растворяемого газа, протекает с выделением теплоты. В связи с этим, когда температура повышается, растворимость газообразных веществ снижается.

Температурный режим неодинаково влияет на способность твердых веществ растворяться в воде. В распространенных случаях можно наблюдать повышение растворимости при нагреве твердых веществ.

В качестве примера можно рассмотреть увеличение растворимости таких веществ, как нитрат натрия N a N O 3 и нитрат калия К N O 3 , при повышении температуры. При этом растворение сопровождается поглощением теплоты. Растворимость N a C l в процессе нагрева повышается несущественно, что объясняется практически нулевым тепловым эффектом растворения поваренной соли.

Растворимость твердых и жидких веществ в жидких средах почти не меняется при перепадах давления. Это связано с незначительным изменением объема в процессе растворения. Когда в жидкости растворяют газы, объем системы уменьшается. В связи с этим, при повышении давления увеличивается растворимость газообразных веществ. Общий вид зависимости растворимости газов от давления описан законом У. Генри (Англия, 1803 г.).

Закон У. Генри: растворимость газа при стабильной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.

Рассмотренная закономерность справедлива для небольших давлений в случае газообразных веществ со сравнительно небольшой растворимостью и при условии отсутствия химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителя.

В том случае, когда вода содержит примеси других веществ, например, соли, кислоты и щелочи, газы хуже растворяются в такой среде. Газообразный хлор характеризуется растворимостью в насыщенном водном растворе поваренной соли, которая в 10 раз меньше по сравнению с аналогичным показателем в чистой воде.

Эффект, предполагающий снижение растворимости в присутствии солей, называют высаливанием. Ухудшение свойств растворимости связано с гидратацией солей, которая является причиной уменьшения количества свободных молекул воды. Молекулы воды, образовавшие связи с ионами электролита, не являются растворителем для каких-либо веществ.

Примеры растворения твердых веществ в воде

Данные о растворимости веществ необходимы для решения многих задач по химии, связанных с записью уравнений реакций. Таблица растворимости содержит информацию о зарядах веществ, которую используют для корректной записи реагентов и схем химического взаимодействия. По растворимости в воде определяют способность соли или основания диссоциировать.

Водные соединения, проводящие ток, являются сильными электролитами. Существует и другой тип веществ, которые отличаются тем, что плохо проводят ток. Такие соединения являются слабыми электролитами. Сильные электролиты представляет собой вещества, практически полностью ионизирующиеся в воде. В отличие от них, слабые электролиты проявляют это свойство лишь в малой степени.

Существует несколько видов уравнений:

молекулярные;
полные ионные;
краткие ионные.

Краткие ионные уравнения являются сокращенным вариантом полных ионных уравнений. В полном уравнении принято записывать все ионы из которых состоят реагенты и продукты реакции.

В виде отдельных ионов можно записывать только сильные электролиты.

Затем, сократив одинаковые ионы, присутствующие в обоих частях химического уравнения, получают уравнение в кратком виде.

В молекулярных уравнениях все, без исключения, вещества записаны в молекулярном виде.

Это процесс, который происходит, когда растворенное вещество распадается на отрицательные и положительные ионы или на отдельные полярные молекулы. Каждая из них связывается с молекулами растворителя.

Механизм процесса растворения

Хотя молекулы воды кажутся статичными в стакане, но они действительно находятся в непрерывном движении, особенно молекулы на поверхности (из-за их кинетической энергии).

Растворение ионных и полярных соединений в полярном растворителе

Легко растворить ионное соединение (в виде хлорида натрия) и полярное ковалентное соединение (в виде газообразного хлористого водорода).

Растворение хлорида натрия в воде

Полярные молекулы воды сталкиваются с кристаллами NaCl по своей кинетической энергии . Молекулы воды притягивают ионы Na + и Cl — , направляя к ним подходящий полюс, чтобы отделиться от кристаллов NaCl.

Молекулы воды, которые окружают ионы, изолируют положительные ионы от отрицательных ионов и предотвращают их повторное связывание . Скорость процесса растворения зависит от площади поверхности растворенного вещества, процесса перемешивания и температуры.

Растворимость

Это способность растворенного вещества растворяться в определенном растворителе или способность растворителя растворять определенное растворенное вещество.

Степень растворимости — это количество растворенного вещества в граммах, которое растворяется в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора при температуре и давлении насыщения (STP).

Факторы, влияющие на растворимость

На растворимость влияет температура и природа растворенного вещества и растворителя .

Природа растворенного вещества и растворителя

Подобно тому, как растворять подобное — это хорошо известное утверждение, которое контролирует процесс растворимости, это утверждение можно объяснить следующим образом:

Полярный растворитель, такой как вода, растворяет ионные соединения (хлорид натрия NaCl, гидроксид натрия NaOH, нитрат никеля Ni (NO ₃ ) ₂ ), а вода растворяет полярные соединения (хлористый водород HCl, аммиак NH ₃ ).

Неполярный растворитель (органический растворитель), такой как бензол, растворяет неполярные соединения (метан, масло, жиры), а дихлорид метана растворяет неполярный материал (йод).

Растворимость некоторых веществ в полярных и неполярных растворителях

Три пробирки содержат гетерогенную смесь воды и дихлорида метана .

В первой трубке , дихлорид метана не растворяется в воде , потому что вода является полярным растворителем, в то время как дихлорид метана является неполярным веществом , в котором неполярные вещества не растворяются в полярных растворителях .

Во второй трубе , путем добавления раствора йода к этой гетерогенной смеси , растворяется в дихлорид метана, но не растворяется в воде , так как раствор йода является неполярным веществом и метан дихлорид также является неполярным растворителем, но вода является полярным растворителем , в котором неполярные вещества не растворяются в полярных растворителях, но растворяются в неполярных растворителях.

В третьей пробирке при добавлении зеленого нитрата никеля к этой гетерогенной смеси он растворяется в воде и не растворяется в дихлориде метана, потому что нитрат никеля является полярным веществом, а вода — полярным растворителем, а дихлорид метана неполярным. растворитель , в котором ионные вещества растворяются в полярных растворителях , но не растворяются в неполярных растворителях.

Масло не растворяется в воде, потому что вода является полярным растворителем, а масло — неполярным соединением. Таким образом, масло не растворяется в воде .

Масло растворимо в бензоле, потому что масло (неполярное вещество) диспергировано между молекулами бензола (неполярный растворитель) из-за слабых связей между молекулами бензола.

Сахар растворим в воде , хотя сахар является неполярным веществом, потому что молекулы воды образуют водородные связи с молекулами сахара (полярные гидроксильные группы).

Влияние температуры на растворимость

Есть три случая: растворимость большинства ионных веществ значительно увеличивается при повышении температуры, таких как NaNO ₃ , KNO ₃ , KCl, KClO ₃ , степень растворимости нитрата калия (KNO ₃ ) составляет 20 г / 100 г H ₂ O. (l) при 10 градусах Цельсия. При повышении температуры до 50 градусов Цельсия растворимость увеличивается и становится 90 г / 100 г H ₂ O (л).

Растворимость некоторых ионных веществ немного увеличивается при повышении температуры, например NaCl . Растворимость некоторых ионных веществ уменьшается при повышении температуры, например Ce ₂ (SO ₄ ) ₃ .

Частицы раствора нельзя различить невооруженным глазом или электронным микроскопом.
Диаметр его частиц (ионов или молекул) менее 1 нм.
Частицы, образующие раствор, распределены равномерно, поэтому раствор однороденпо составу и свойствам.
Частицы не рассеивают луч света, проходящий через раствор .

Концентрация растворов

Отношение количества растворенного вещества к количеству растворителя влияет на концентрацию раствора, который нужно разбавить или сконцентрировать. Концентрированный раствор — это раствор, в котором количество растворенного вещества велико (не больше, чем растворитель).

Разбавленный раствор — это раствор, в котором количество растворенного вещества мало по сравнению с количеством растворителя. Существует несколько методов выражения концентрации: процент, молярность и моляльность.

Процент

Этот метод подходит для выражения концентрации на еде и лекарствах.

Массовый процент (м / м)

Массовый процент — это процент от массы растворенного вещества в 100 г раствора.

Массовый процент = [Масса растворенного вещества (г) ÷ Масса раствора (г)] × 100%

Масса раствора = масса растворенного вещества + масса растворителя

Когда массовая доля раствора составляет 25%, масса растворенного вещества в 100 г раствора равна 25 г.

Объемный процент (об. / Об.)

Объемный процент — это процентное содержание растворенного вещества в 100 мл раствора.

Процент объема = [Объем растворенного вещества (мл) ÷ Объем раствора (мл)] × 100%

Объем раствора = объем растворенного вещества + объем растворителя

Некоторые растворы готовятся в процентах по объему, потому что объемы жидкости так легко измерить.

Когда объемный процент раствора составляет 20%, объем растворенного вещества в 100 мл раствора равен 20 мл.

Наклейки, размещенные на лекарствах и пищевых веществах, должны показывать единицы, выражающие процентное содержание растворенных веществ, из-за наличия многих типов процентного содержания.

Молярность (M)

Это количество молей растворенного вещества, растворенного в одном литре раствора. Единица молярности — (моль / л) или молярный (М).

Молярность (M) = [Количество молей растворенного вещества (моль) ÷ Объем раствора (л)] × 100%

Число молей (n) = Масса растворенного вещества (г) ÷ Молярная масса (г / моль)

Растворы — гомогенные (однородные) системы переменного состава, которые содержат два или несколько компонентов.

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ (газообразных, жидких, твердых):

Жидкие растворы могут быть водные и неводные. Водные растворы — это растворы, в которых растворителем является вода. Неводные растворы — это растворы, в которых растворителями являются другие жидкости (бензол, спирт, эфир и т. д.). На практике чаще применяются водные растворы.

Растворение веществ

Растворение — сложный физико-химический процесс. Разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворителя — это физический процесс. Одновременно происходит взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества, т.е. химический процесс. В результате этого взаимодействия образуются сольваты.

Сольваты — продукты переменного состава, которые образуются при химическом взаимодействии частиц растворенного вещества с молекулами растворителя.

Если растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидратами. Процесс образования сольватов называется сольватацией. Процесс образования гидратов называется гидратацией. Гидраты некоторых веществ можно выделить в кристаллическом виде при выпаривании растворов. Например:

Что представляет собой и как образуется кристаллическое вещество синего цвета? При растворении в воде сульфата меди (II) происходит его диссоциация на ионы:

Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды:

При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат сульфата меди (II) — CuSО₄ • 5Н₂О.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами. Вода, входящая в их состав, называется кристаллизационной водой. Примеры кристаллогидратов:

Впервые идею о химическом характере процесса растворения высказал Д. И. Менделеев в разработанной им химической (гидратной) теории растворов (1887 г.). Доказательством физико-химического характера процесса растворения являются тепловые эффекты при растворении, т. е. выделение или поглощение теплоты.

Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эффектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический — с выделением.

Если в результате гидратации (сольватации) выделяется больше теплоты, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества, то растворение — экзотермический процесс. Выделение теплоты наблюдается, например, при растворении в воде таких веществ, как NaOH, AgNО₃, H₂SО₄, ZnSО₄ и др.

Если для разрушения структуры вещества необходимо больше теплоты, чем ее образуется при гидратации, то растворение — эндотермический процесс. Это происходит, например, при растворении в воде NaNО₃, KCl, K₂SO₄, KNO₂, NH₄Cl и др.

Растворимость веществ

Мы знаем, что одни вещества хорошо растворяются, другие — плохо. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы.

Насыщенный раствор — это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре.

Ненасыщенный раствор — это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.

Количественной характеристикой растворимости является коэффициент растворимости. Коэффициент растворимости показывает, какая максимальная масса вещества может раствориться в 1000 мл растворителя при данной температуре.

Растворимость выражают в граммах на литр (г/л).

По растворимости в воде вещества делят на 3 группы:

Растворимость веществ зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов). Растворимость газов при повышении температуры уменьшается, при повышении давления — увеличивается.

Зависимость растворимости твердых веществ от температуры показывают кривые растворимости. Растворимость многих твердых веществ увеличивается при повышении температуры.

По кривым растворимости можно определить: 1) коэффициент растворимости веществ при различных температурах; 2) массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t₁ o C до t₂ o C.

Процесс выделения вещества путем испарения или охлаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией. Перекристаллизация используется для очистки веществ.

Читайте также: