Гидратированные ионы это кратко

Обновлено: 30.06.2024

В течение многих лет химики считали растворение веществ в воде чисто физическим процессом. И сейчас в школьных учебниках к таковым относят, например, растворение в воде сахара. Действительно, при испарении воды из раствора сахара при пониженном давлении легко получить исходное вещество в неизменном виде.

В то же время накапливались данные о том, что процесс растворения нельзя считать чисто механическим смешением компонентов, как, например, гексана и гептана. Так, растворы хлорида натрия и многих других соединений обладают электропроводностью, а сам процесс растворения нередко сопровождается значительными тепловыми эффектами (см. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ). Более того, некоторые соединения при растворении изменяют даже цвет. Например, сульфат меди бесцветный, а его разбавленный раствор – голубой, хлорид кобальта(II) голубой, а его водные растворы розовые. Все эти факты показывают, что растворение в воде – физико-химический процесс, вызванный гидратацией, то есть взаимодействием вещества с водой.

В ходе гидратации в ряде случаев происходит обратимое присоединение воды к ионам, атомам или молекулам растворяемого вещества с образованием гидратов. Так, при растворении в воде кристаллических ионных соединений (солей, щелочей, а также некоторых кислот, например, лимонной и щавелевой), молекулярных соединений (хлороводорода, серной кислоты, спирта, глюкозы и др.) происходит гидратация катионов и анионов, из которых состоит растворяемое вещество, либо гидратация ионов, образующихся в процессе растворения. При этом молекулы воды сохраняются как целое.

Ион	Энергия гидратации, кДж/моль	Ион	Энергия гидратации, кДж/моль
H +	1076	Sr 2+	1477
H₃O +	460	Ba 2+	1339
Li +	502	Zn 2+	2130
Na +	410	Al 3+	4548
K +	329	F –	473
NH₄ +	330	Cl –	330
Rb +	314	Br –	296
Cs +	264	I –	264
Mg 2+	1887	OH –	339
Ca 2+	1569	MnO₄ –	247

Алгебраическая сумма энергии кристаллической решетки (или энергии разрыва связей) растворяемого вещества и энергии гидратации ионов определяет суммарный тепловой эффект растворения. В случае ионных соединений процесс может быть существенно экзотермическим (растворение в воде серной кислоты, гидроксидов натрия и калия может вызвать даже вскипание раствора), существенно эндотермическим (стакан с водой, в котором быстро растворяют нитрат аммония, примерзает к влажной подставке) или термонейтральным (растворение бромида натрия практически не сопровождается изменением температуры).

Гидратация многих безводных солей дозированным количеством воды (например, из газовой фазы) приводит к образованию твердых гидратов определенного состава, которые называются кристаллогидратами. Этот процесс всегда сопровождается выделением теплоты. Гидратация может быть ступенчатой, в зависимости от количества доступной воды и температуры. Одновременно может изменяться и цвет ионов. Например, при гидратации бесцветного сульфата меди(II) последовательно образуются различные окрашенные кристаллогидраты, из которых выделены в чистом виде моногидрат CuSO₄·H₂O, тригидрат CuSO₄·3H₂O и пентагидрат (медный купорос) CuSO₄·5H₂O. В разбавленных растворах присутствуют cине-зеленые гидраты – аква-ионы Cu(OH)₆ 2+ . Потеря воды розовым аква-ионом Со(Н₂О)₄ 2+ приводит к появлению синей окраски.

При кристаллизации многих солей из их водных растворов молекулы воды входят в состав кристаллической решетки с образованием кристаллогидратов различного состава, например, LiCl·H₂O, CuCl₂·2H₂O, Ba(ClO₄)₂·3H₂O, CdBr₂·4H₂O, Na₂S₂O₃·5H₂O, AlCl₃·6H₂O, FeSO₄·7H₂O, MgI₂·8H₂O, Fe(NO₃)₃·9H₂O, Na₂SO₄·10H₂O, Na₂HPO₄·12H₂O, Al₂(SO₄)₃·18H₂O и др. При нагревании, а также при хранении на воздухе (особенно при низкой влажности) многие кристаллогидраты выветриваются, теряя частично или полностью молекулы воды.

Гидратация молекулярных соединений происходит обычно за счет водородных связей и, как правило, не сопровождается существенным тепловым эффектом. Примером может служить растворение сахара. Молекулы воды легко образуют водородные связи с гидроксильными группами, поэтому даже вещества с большими молекулами хорошо растворяются в воде, если содержат много гидроксильных групп (сахароза, поливиниловый спирт). Соединения с небольшими полярными молекулами также легко гидратируются полярными молекулами воды, поэтому такие соединения обычно хорошо растворяются в воде. Примером может служить ацетонитрил СН₃CN, который смешивается с водой в любых отношениях.

Клатраты, образованные водой и метаном, а также другими газами, часто называют газовыми гидратами. Внешне они похожи на снег или рыхлый лет, но под давлением могут существовать и при плюсовых температурах. Поэтому газовые гидраты могут закупорить газопровод и привести к аварии. Гидраты метана широко распространены в природе, в особенности на шельфе океанов; запасы природного газа в виде газовых гидратов значительно превышают его запасы в свободном состоянии.

Гидратация как химическое взаимодействие с водой может сопровождаться разрушением молекул воды, в этом случае происходит необратимая химическая реакция, которую обычно называют гидролизом – разложением водой. Реакции гидролиза известны как в неорганической, так и в органической химии. Примерами гидролиза неорганических соединений могут служить следующие процессы:

Гидролиз солей, образованных сильным основанием (щелочью) и слабой кислотой или слабым основанием и сильной кислотой сопровождается изменением кислотности среды: Na₂S + H₂O ® NaHS + NaOH, AlCl₃ + H₂O ® Al(OH)Cl₂ + HCl. В случае таких солей как Al₂S₃ (их можно получить только сухим путем) гидролиз идет до конца с выделением гидроксида металла и слабой кислоты.

В органической химии реакции гидролиза сопровождаются либо разрушением органической молекулы (гидролиз сложных эфиров, белков): CH₃COOC₂H₅ + H₂O ® CH₃COOH + C₂H₂OH, либо заменой в молекуле какой-либо группы на остаток молекулы воды, обычно гидроксил (гидролиз алкилгалогенидов): C₂H₅Br + H₂O ® C₂H₅OH + HBr. В обоих случаях гидролизу способствует присутствие щелочи, которая связывает выделяющуюся кислоту. В случае белков и других биологически активных молекул реакцию гидролиза направляют в нужном направлении специальные ферменты – гидролазы. Например, фермент амилаза способствует гидролизу крахмала; фермент трипсин направленно гидролизует в белках пептидные связи, образованные аминокислотами аргинином и лизином.

Примерами реакции гидратации в органической химии может служить каталитическая гидратация алкенов с образованием спиртов:

В результате взаимодействия электролита с молекулами воды образуются ионы, связанные с молекулами воды.

гидратированные (в растворах и кристаллогидратах);
негидратированные (в безводных солях).

Ионы некоторых d-элементов имеют окраску. Окраска гидратированных и негидратированных ионов одного и того же d-элемента может быть различной.

гидратированные ионы меди Cu 2 + · 4 H 2 O — синего цвета, а негидратированные ионы Cu 2 + — бесцветные.

При добавлении воды к безводному сульфату меди(\(II\)) образуются гидратированные ионы, появляется синяя окраска.

Гидратация ионов зависит от их природы. Например, катионы щелочных и щелочноземельных элементов, а также анионы хлора, брома, иода и некоторые другие связывают молекулы воды непрочно (обладают, по О. Я. Самойлову, отрицательной гидратацией). Есть мнение, что в зависимости от температуры одни и те же ионы могут обладать как положительной, так и отрицательной гидратацией.[ . ]

Гидратация ионов оказывает очень сильное влияние на свойства растворов и кинетику многих физико-химических (и, следовательно, технологических и биологических) процессов. Поэтому установление влияния магнитной обработки растворов на гидратацию ионов имеет принципиальное значение. Количественно оценить степень гидратации ионов можно по теплоте гидратации (изменению энтальпии), изобарно-изотермическому потенциалу, энтропии, энергии активации самодиффузии молекул воды, ванфлековскому парамагнетизму и др. Пока имеются результаты только двух довольно надежных экспериментальных исследований, свидетельствующих о том, что магнитная обработка заметно влияет на гидратацию ионов.[ . ]

Согласно формулировке, предложенной Крестовым [1751, под гидратацией ионов и молекул в общем случае понимается совокупность изменений, связанных с образованием ионного (молекулярного) раствора в воде. При гидратации происходит нейтрализация и перераспределение заряда ионов по окружающим их молекулам воды.[ . ]

Гидратация ионов в растворе (а), энтропия молекул воды в ближайшем окружении ионов (б) и коэффициент вязкости в уравнении Джонсона—Дола (в).

Теплота гидратации иона гидроксила близка к теплоте гидратации иона 1л+ (табл. 49) и других одновалентных катионов. Тем не менее нам удалось показать, что в отличие от ионов щелочных металлов в результате гидратации иона ОН" в водных растворах гидроокисей щелочных металлов образуется новая кинетическая частица ион Н302 (Зацепина и Степанянц, 1970).[ . ]

Влияние ионов на структуру воды связано с их гидратацией. Различают блнжнюю гидратацию (взаимодействие иона с ближайшими к нему молекулами воды) и дальнюю гидратацию — поляризацию более отдаленных молекул воды. Основной вклад в теорию гидратации ионов сделан О. Я. Самойловым, развившим молекулярно-кинетическое представление о гидратации ионов [6]. Характеристикой ближней гидратации является отношение времени пребывания молекулы воды в ближайшем окружении иона ко времени нахождения ее в положении равновесия с другими молекулами в невозмущенной структуре воды. На основании данных о растворимости солей и теплотах гидратации ионов установлено, что на связь одной молекулы с катионом в зависимости от его заряда ( + 1, +2 или +3) приходится соответственно 42, 126 или 420 кДж/моль. В последнем случае гидратированный катион похож на химическое соединение. Вблизи одновалентных ионов время оседлого пребывания молекул воды имеет порядок 10 8 с.[ . ]

Степень гидратации ионов является одним из основных факторов, определяющих их подвижность и химическую активность. Поэтому важно установить, влияет ли магнитная обработка водных растворов на гидратацию ионов, поскольку с этим может быть связан механизм ее действия.[ . ]

Характер гидратации ионов влияет на основные свойства водных растворов — их сжимаемость и плотность, коэффициент диффузии растворенных веществ, давление пара, электропроводность, температуры кипения и замерзания, растворяющую способность, ИК-спектры и химические сдвиги. В исследованиях процессов, связанных с магнитной обработкой, рассматривают ее влияние на скорость ультразвука и ширину линий протонномагнитного резонанса.[ . ]

Вследствие гидратации ионов и ионных комплексов тяжелых металлов вокруг них формируются гидратные оболочки, размер которых (степень гидратации) зависит от заряда иона или ионного комплекса и его радиуса. Как известно [52], различные ионы по-разному влияют в водном растворе на структуру воды в непосредственной близости от самого иона, обусловливая так называемую положительную или отрицательную гидратацию.[ . ]

Значения теплот гидратации ионов, необходимые для расчета по уравнению (2.65), находим из справочных данных.[ . ]

Оказалось, что в этом случае снижается отрицательная адсорбция ионов железа на поверхности раздела раствор — воздух. По-видимому, рассматриваемое явление связано со значительным уменьшением гидратации катиона железа [157]. Таким образом, временное изменение магнитной обработкой дальней гидратации ионов в водных системах может явиться одним из существенных механизмов регулирования физико-химических свойств последних.[ . ]

Однако энергия связи (7, 18 эВ), выделяющаяся при этой реакции, так велика по сравнению с энергией связи последующих молекул воды, что удобнее говорить о гидратации иона Н30+, а не протона. В соответствии с этим мы часто будем писать формулы ионных гидратов протона в виде (Н30) + (Н20)п, а не Н+(Н20)Л.[ . ]

В. И. Миненко [24, с. 38], но подробно об этом говорится в работе Е. 3. Гак, Э. X. Рохинсон и Н. Ф. Бондаренко [24, с. 57—61]. В главе II, п. 1 приведены результаты опытов, свидетельствующие об изменении гидратации ионов при омагничивании растворов.[ . ]

В очень концентрированных растворах щелочей степень набухания уменьшается. Это можно объяснить с точки зрения гидра-тационной теории. При повышении концентрации щелочи в растворе степень гидратации ионов щелочного металла понижается, что в свою очередь приводит к снижению степени набухания целлюлозного волокна в концентрированном растворе щелочи [3]. Микроскопическими исследованиями показано, что в насыщенном растворе едкого натра степень набухания даже меньше, чем в чистой воде. Возможны также и другие объяснения этого явления.[ . ]

В работе [24, с. 62—67] показано, что изменение химического сдвига, вероятно, обусловлено уменьшением количества воды, связанной в гидратные оболочки. По изменению химического сдвига можно оценить, насколько изменилась степень гидратации ионов в результате активации. Ориентировочные расчеты позволяют считать, что степень гидратации ионов кальция изменяется на 30—36%.[ . ]

Например, сорбционные методы находят все большее применение для извлечения многих важнейших элементов из раствора, и повышение сорбционной емкости ионитов является необходимым условием их рационального использования. Опыты Г. М. Ивановой и В. И. Миненко нокааали, что после магнитной обработки воды на 20— 33% возрастает емкость поглощения сульфоугля. Это является следствием улучшения проникновения ионов в поры сорбента за счет уменьшения гидратации ионов или по другим причинам.[ . ]

Все эти соединения окрашены в зеленый цвет, и для них характерно изменение окраски в широких пределах при постоянном химическом составе. Свойство это характерно не только для твердых соединений, у которых изменение цвета может быть обусловлено дисперсностью и кристаллической структурой частиц, но и для растворов. Окраска растворов солей хрома может колебаться от зеленой до фиолетовой в зависимости от температуры раствора, его концентрации, наличия избытка кислоты и т. д. На холоду растворы соединений хрома обычно окрашены в синефиолетовый цвет, а при нагревании — в зеленый.[ . ]

Это ионы, соединенные с молекулами воды в результате их гидратации при растворении электролитов в воде. Процесс гидратации - это химическая сторона процесса растворения веществ в воде, согласно физико-химической теории растворения
Д. И. Менделеева.

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Гидратацию ионов в водных растворах следует рассматривать не как электростатическое связывание ими определенного количества молекул воды, а как результат воздействия ионов на тепловое и трансляционное движение молекул воды [44]. Условия взаимодействия ионов с молекулами воды при гидратации можно охарактеризовать следующими величинами:

τ- среднее время, в течение которого молекула воды, находясь только в окружении молекул воды, пребывает в положении равновесия;

τ_i - среднее время пребывания молекулы воды в ближайшем к иону положении равновесия;

ΔE_i - величина, характеризующая изменение потенциальных барьеров, разделяющих соседние положения равновесия молекул воды, под действием ионов.

Различие в величинах τ и τ_i определяются тем, что ион энергетически неэквивалентен молекуле воды, поэтому и величина потенциального барьера Е, т.е. энергии активации процесса самодиффузии молекул в чистой воде, при появлении в воде иона становится равной Е+ΔE_i.

Если ΔEi>0, то t_i/t>1, следовательно, происходит эффективное связывание ионами ближайших молекул воды. Они становятся менее подвижными, чем были в чистой воде. Этот случай назван положительной гидратацией, для которой необходимо присутствие в растворе ионов с большой плотностью заряда, например, ионы Li + и F - .

Если DE_i + , K + , Br - , I - [46].

Таким образом, положительная гидратация будет способствовать усилению структурированности воды в водном растворе, а отрицательная - ее уменьшению. Граница между положительной и отрицательной гидратацией - функция температуры и давления [45].

В водных растворах электролитов происходит оттеснение анионов от катионов молекулами воды. Оно тем больше, чем сильнее гидратация катиона, т.е. чем меньше его радиус и больше заряд [47]. Анионы размещаются в растворе преимущественно в областях с пониженной плотностью размещения молекул воды (в свободной воде при положительной гидратации; вблизи катионов при отрицательной гидратации), поэтому ассоциация катионов и анионов с образованием контактных пар облегчается при переходе от ионов с положительной гидратацией к ионам с отрицательной гидратацией [48, 49].

Читайте также: