Вода как растворитель и растворимость веществ

Вода растворяет поваренную соль, сахар и часть газов воздуха, но не превращает любой материал в прозрачный раствор. От чего зависит растворение? Почему перемешивание помогает сахару исчезнуть быстрее, но не позволяет растворить его бесконечно много? Ответ требует различать раствор, скорость растворения и растворимость.

Растворитель и растворённое вещество

Раствор — однородная смесь, в которой частицы растворённых веществ распределены среди частиц растворителя. В водном растворе растворителем является вода; растворённое вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным до растворения.

В растворе соли нельзя увидеть отдельные кристаллики даже при увеличении обычным школьным микроскопом: соль распределена в виде ионов. В растворе сахара распределены отдельные молекулы сахара. Если в воде взвешены видимые или достаточно крупные частицы мела, это суспензия, а не раствор мела. После отстаивания часть твёрдого вещества оседает.

Обычный бумажный фильтр задерживает нерастворённые частицы, но не отделяет растворённую соль от воды. Поэтому прозрачность и прохождение через фильтр не доказывают чистоту вещества: прозрачный раствор может содержать несколько растворённых компонентов.

Почему вода растворяет многие вещества

Молекула воды электрически нейтральна в целом, но электрический заряд в ней распределён неравномерно. Область атома кислорода имеет частичный отрицательный заряд, области атомов водорода — частичный положительный. Такая молекула называется полярной. Частичные заряды не означают, что каждая молекула воды уже распалась на ионы.

Молекулы воды взаимодействуют с катионами и анионами соли и окружают их. Взаимодействие растворённых частиц с водой называют гидратацией. Если образование раствора в данных условиях энергетически и статистически благоприятно, ионы выходят из кристалла и распределяются в воде.

NaCl(тв.) → Na⁺(водн.) + Cl⁻(водн.).

Пометка «водн.» означает, что ионы окружены водой. Для сахара картина иная: молекулы отделяются друг от друга и взаимодействуют с водой, но не распадаются при обычном растворении на ионы. Поэтому неверно считать любое растворение химическим разложением молекул.

Вода не универсальный растворитель. Масло почти не смешивается с ней, а этанол смешивается во всех обычных соотношениях. Общее правило «подобное растворяется в подобном» помогает предполагать результат, но не заменяет опытных данных. Даже среди ионных соединений есть хорошо растворимые NaCl и практически нерастворимый CaCO₃.

Растворимость и насыщение

Растворимость характеризует состав насыщенного раствора данного вещества в данном растворителе при определённых условиях. В школьных задачах её часто задают массой вещества, которая может раствориться в 100 г воды при указанной температуре.

Поэтому значение растворимости без указания температуры и единиц неполно. Если сказано «30 г на 100 г воды», это не означает «30 г на 100 г раствора». В последнем случае меняется величина в знаменателе.

В насыщенном растворе над кристаллами движение частиц не прекращается: растворение и выделение вещества продолжаются с одинаковыми средними скоростями. Это динамическое равновесие. Отсутствие заметного изменения массы кристаллов не означает неподвижности частиц.

Что влияет на растворимость и скорость

Растворимость зависит от природы вещества и растворителя, температуры и иногда давления. При нагревании растворимость многих твёрдых веществ увеличивается, но это не универсальный закон: для разных веществ изменение может быть большим, малым или иметь другое направление. Пользуются таблицей или кривой растворимости конкретного вещества.

Для многих газов, например кислорода и углекислого газа, повышение температуры при неизменном парциальном давлении обычно уменьшает растворимость в воде. Увеличение парциального давления данного газа над раствором обычно увеличивает его растворимость в области применимости закона Генри. Поэтому после открытия газированного напитка понижение давления CO₂ способствует его выходу из раствора. Если газ реагирует с водой, простая модель требует уточнений.

Скорость растворения и растворимость различаются. Перемешивание и измельчение обычных кристаллов помогают быстрее достигнуть равновесия, но сами по себе не увеличивают равновесную растворимость при неизменных температуре и составе системы.

Мелкие кристаллы имеют большую общую поверхность контакта с водой, а перемешивание переносит растворённое вещество от поверхности. Нагревание может одновременно ускорять растворение и менять его конечный предел, поэтому эти два эффекта нужно рассматривать отдельно.

Три разобранных расчёта

Следующие числа условные: они задают модель задачи, а не справочные характеристики конкретной соли. Испарение воды, образование кристаллогидратов и химические реакции в этих расчётах отсутствуют.

1. Раствор и нерастворённый остаток

При заданной температуре растворимость вещества равна 40 г на 100 г воды. К 50 г воды добавлено 25 г вещества; установилось равновесие. Предельная масса растворённого вещества:

m_макс = 40 · 50/100 = 20 г.

Значит, растворятся 20 г, а 5 г останутся в твёрдом виде. Масса самого раствора включает только воду и растворившуюся часть:

m_{остатка} = 25 − 20 = 5 г; m_{раствора} = 50 + 20 = 70 г.

Общая масса системы равна 75 г, но смесь раствора с осадком нельзя целиком назвать однородным раствором.

2. Кристаллизация при охлаждении

В 100 г воды при более высокой температуре растворено 60 г вещества. После охлаждения растворимость стала 20 г на 100 г воды. Если установилось равновесие, вода не испарялась, а кристаллы не содержат кристаллизационной воды, в растворе останется 20 г вещества:

m_{кристаллов} = 60 − 20 = 40 г.

Оставшийся раствор имеет массу 120 г. Вместе с 40 г кристаллов получаем прежние 160 г системы: закон сохранения массы выполняется.

3. Связь с массовой долей

Растворимость равна 25 г вещества на 100 г воды. Насыщенный раствор содержит 25 г вещества в 125 г раствора, поэтому массовая доля:

w = 25/(100 + 25) = 0,20 = 20%.

Число 25 в условии не означает массовую долю 25%. Для процентов знаменатель — масса раствора, а для заданного здесь коэффициента растворимости — масса воды.

Частые ошибки

• Называть растворением исчезновение вещества вследствие реакции, не проверяя появление новых веществ. Растворение соли и реакция металла с кислотой — разные ситуации.
• Считать «нерастворимый» синонимом строго нулевой растворимости: в школьной таблице это практическая характеристика очень малой растворимости.
• Утверждать, что нагревание всегда увеличивает растворимость всех веществ.
• Считать насыщенный раствор обязательно концентрированным: насыщенный раствор малорастворимого вещества может содержать очень мало этого вещества.
• Включать нерастворённый остаток в массу раствора при расчёте массовой доли.

Проверьте себя

1. Растворимость равна 30 г на 100 г воды. К 200 г воды добавили 75 г вещества. Найдите массу растворившейся части, остатка и насыщенного раствора после установления равновесия.
2. Растворимость равна 20 г на 100 г воды. В 50 г воды растворили 8 г вещества. Насыщен ли раствор?
3. Почему измельчённый сахар обычно растворяется быстрее крупных кристаллов, но не даёт бесконечного увеличения растворимости?
4. Как обычно меняется растворимость кислорода в воде при нагревании, если парциальное давление кислорода неизменно?
5. Насыщенный раствор содержит 20% вещества по массе. Чему равна растворимость в граммах на 100 г воды? Вещество не реагирует с водой.

Ответы с объяснениями

1. Предельное количество пропорционально массе воды:

   m_{растворённого} = 30 · 200/100 = 60 г.

   m_{остатка} = 75 − 60 = 15 г; m_{раствора} = 200 + 60 = 260 г.

   Все 75 г не растворятся при данных условиях.

2. В 50 г воды при насыщении может находиться 10 г вещества:

   m_макс = 20 · 50/100 = 10 г.

   Поскольку 8 г меньше 10 г, раствор ненасыщенный.

3. Измельчение увеличивает общую поверхность соприкосновения с водой и скорость растворения. Предел при данной температуре определяется растворимостью, а не тем, насколько быстро его достигли.

4. Обычно уменьшается. Это одна из причин, по которым тёплая вода при равновесии с тем же воздухом содержит меньше растворённого кислорода, чем холодная.

5. В 100 г раствора содержатся 20 г вещества и 80 г воды. Пересчитываем на 100 г воды:

   S = 20 · 100/80 = 25 г на 100 г воды.

Связанные темы

Химические соединения и смеси, таблица растворимости, массовая доля растворённого вещества, основания, соли.

Источники

Определение растворимости: IUPAC, Solubility. Молекулярное объяснение растворения соли: American Chemical Society, Why Does Water Dissolve Salt?. Влияние температуры и давления: OpenStax, Solubility.