4.2. Жидкие растворы (на примере водных растворов)

Растворимость – это свойство вещества равномерно распределяться в растворителе. Растворимость зависит от природы вещества, температуры и давления.

При растворении вещества возникает равновесие:

растворённое вещество (фаза) раствор.

При равновесии изменение энергии Гиббса системы равно нулю (∆G=0). Раствор, в котором устанавливается равновесие между процессами растворения и образования вещества (осаждением, кристаллизацией, выделением), называется насыщенным.

В пересыщенных растворах содержание растворённого вещества больше, чем в насыщенном. Это неустойчивые растворы.

Ненасыщенным раствором называется раствор, в котором при данной температуре и давлении возможно дальнейшее растворение веществ.

Растворимость разных веществ в том или ином растворителе зависит от температуры: она может возрастать, уменьшаться или оставаться постоянной. Растворимость газов в жидкости зависит от природы газа, растворителя, температуры. Она прямо пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью раствора.

Тепловой эффект растворения (энтальпия растворения)

Движущими силами образования растворов являются энтропийный и энтальпийный факторы. При растворении газов в жидкости энтропия всегда уменьшается (ΔS<0), а при растворении кристаллов возрастает (ΔS>0). Чем сильнее взаимодействие растворенного вещества и растворителя, тем больше роль энтальпийного фактора в образовании растворов.

Изменение энтальпии при растворении определяется:

• процессом разрушения связей в растворённом веществе, требующим затраты энергии (эндотермический процесс ∆ Н₁>0);

• процессом образования соединения между молекулами (ионами) растворённого вещества и растворителя, сопровождающимся выделением энергии (экзотермический процесс ∆Н₂<0).

Таким образом, теплота растворения включает в себя два слагаемых:

Н _раств.= (Н₁) + (Н₂),

где Н₁– теплота разрушения,Н₂– теплота взаимодействия.

Если Н₁>Н₂, тоН_раств.> 0, т.е. при растворении наблюдается эндотермический тепловой эффект (раствор охлаждается).

Например: при растворении NH₄NO₃в воде раствор охлаждается.

Если Н₁<Н₂, тоН_раств.< 0, т.е. при растворении наблюдается экзотермический тепловой эффект (раствор нагревается).

Например: при растворении H₂SO₄в воде раствор сильно нагревается.

При растворении происходит химическое взаимодействие растворённого вещества с растворителем. Образующиеся при этом соединения называются сольватами,а в случае водных растворов – гидратами. Процесс образования сольватов и гидратов называют сольватацией и гидратацией. Взаимодействие происходит за счёт сил Ван-дер-Ваальса (сил межмолекулярных взаимодействий), поэтому сольваты (гидраты) – соединения менее прочные, чем обычные химические соединения.

Однако в большинстве соединений при выделении растворённого вещества из раствора в твёрдую фазу в состав кристаллов переходят и молекулы воды. Эту воду называют кристаллизационной водой, а сами соединения –кристаллогидратами.В связи с этим следует различать безводные кристаллические вещества и кристаллогидраты.

Например: Na₂SO₄– безводный,

Na₂SO₄∙7H₂O- семиводный кристаллогидрат сульфата натрия.