img-503161453

Рис. 4. Зависимость растворимости солей от температуры .

раствор состоит из растворенных веществ и растворителя, т. е. среды, в которой эти вещества равномерно распределены в виде молекул илд-донов.. Состав раствора характеризуется его концен­ трацией, т. е. количеством растворенного вещества, содержащегося в определенном количестве раствора или растворителд^"""

Количественно концентрацию раствора выражают различными способами:

/1) в процентах растворенного вещества по отношению ко всему

количеству раствора — процентный раствор (%);

	2)	числом грамм-молекул (молей) растворенного вещества, со­
держащихся в 1				л раствора, — молярный раствор (М),
; .3) числом грамм-эквивален­
тов	растворенного				вещества,
содержащихся				в 1 л раство­
ра,— нормальные					растворы
( н . к		титром раствора,				т.	е.
/	4)
числом граммов вещества,							со­
держащихся в одном милли­
литре раствора				(г/мл).		рас­
	Способность			вещества
творяться в том или ином рас­
творителе			называется раство­
римостью.			Мерой растворимо­
сти вещества при данных усло­
виях		служит концентрация					его
насыщенного раствора. Поэто­
му		численно		растворимость

может быть выражена теми же способами, что и концентра­ ция. Очень часто раствори­ мость выражают числом весо­ вых частей безводного веще­ ства, насыщающим при данных

условиях 100 весовых частей растворителя. Выраженную таким способом растворимость иногда называют коэффициентом рас­ творимости.

•■/Растворимость почти всех твердых веществ увеличивается с по­ вышением температуры, но у разных веществ эти изменения рас­ творимости происходят различно. ^/Зависимость между раствори­ мостью вещества и температурой наглядно отражают кривые растворимости (рис. 4), по которым легко можно определить рас­ творимость вещества при заданной температуре.

\/ Благодаря большому дипольному моменту вследствие хорошо выраженной полярности вода обладает большой ионизирующей способностью. Поэтому воду можно считать идеальным раствори­ телем, так как совершенно нерастворимых в воде веществ йет, если время для растворения данного вещества неограниченоУПоэтому природные воды фактически являются водными растворами,

21

в которых в той или иной мере растворены все известные на Земле вещества или продукты их взаимодействия с водой.

Водные растворы вследствие исключительной их распростра­ ненности в природе представляют собой одну из наиболее важных разновидностей растворов, без которых невозможна органическая жизнь.

В зависимости от величины частиц растворенного вещества различают растворы истинные, коллоидные и механические смеси.

1. Истинные растворы или молекулярно-ионные — это рас­ творы, в которых растворенное вещество находится в виде ионов или молекул. Размеры растворенных частиц не превышают 10~7см (т. е. размеры самих молекул).

2. Коллоидными называются растворы, .в которых размеры ча­ стиц растворенного вещества более 10~7, но не превышают 10-5 см и частицы состоят уже не из отдельных молекул, а из групп мо­ лекул и ионов. <

Коллоидные частицы распределяются по всему объему раство­ рителя равномерно. Общая поверхность коллоидных частиц очень велика, вследствие чего между ними и молекулами воды суще­ ствует тесное взаимодействие. В результате этого коллоидные си­ стемы довольно устойчивы. Устойчивости коллоидов способствует также наличие у коллоидных частиц зарядов.

В природе коллоидные растворы встречаются очень часто, на­ пример, к ним относятся растворы органических соединений в клетках живых организмов и продукты их распада.

Если размеры растворенных частиц 10~5 см и больше, то нару­

шается	характерная		особенность раствора — его			однородность,
поэтому это уже		не	растворы, а механические смеси — суспензии.
При	частицах	размером		10~5 см	образуется тонкая суспензия,
а более 10~5 см — грубые суспензии — взвеси.						твердых ве­
Растворимость		твердых		веществ.	Большинство

ществ имеет кристаллическое строение. В узлах их кристалличе­ ской решетки находятся молекулы (органические соединения) или б о н ы (неорганические соединения), удерживаемые силами электро­ статического притяжения.

При соприкосновении твердого вещества с водой ионы или молекулы, составляющие решетку, взаимодействуют с дипольпыми молекулами воды. Возникают ионно-дипольные связи. Если -они окажутся прочнее связей между ионами кристаллической решетки, то ионы отрываются от кристалла и переходят в рас­ твор. Этому процессу способствует также непрерывное тепловое движение молекул.

Перешедшие в раствор	ионы окружаются молекулами воды,
е в результате образуются	гидратные оболочки ионов. Гидратные

оболочки ионов неустойчивы, но иногда часть молекул воды на­ столько прочно связывается с молекулами или ионами вещества, что при кристаллизации эти связи сохраняются. Такие кристалли­ ческие соединения называются кристаллогидратами, а содержа­ щаяся в них вода — кристаллизационной, например СаС12-2Н20.

22

Процесс можно изобразить схематически на примере растворе­ ния в воде хлористого натрия (рис. 5):

N a C l^ N a+ + C r .

Одновременно с процессом растворения идет и обратный про­ цесс кристаллизации — переход ионов из раствора на поверхностькристалла. Чем больше поверхность соприкосновения кристалла с водой, тем больше вещества в единицу времени растворяется водой, поэтому скорость растворения прямо пропорциональна по­ верхности кристалла, а скорость кристаллизации определяется концентрацией уже растворившихся ионов.

я *

Рис. 5. Схема растворения тверды х тел на примере хлористого натрия.

В момент, когда скорости обоих процессов сравняются, уста­ новится динамическое равновесие — сколько молекул в единицу времени растворится, столько и выпадет на поверхность кристалла..

У насыщенных растворов дальнейшее растворение возможно' только при повышении их температуры. При этом усиливается тепловое движение частиц в кристаллической решетке, силы стя­ жения ослабляются и молекулам воды легче разрушать решетку.. При понижении температуры насыщенных растворов уменьшается тепловое движение частиц, сила стяжения увеличивается, молеку­ лам воды труднее ее преодолевать и часть вещества кристалли­ зуется.

\/Следовательно, растворимость твердых веществ в воде зависит не только от природы вещества, но и от температуры раствора

(табл. 5).\J

Высокое давление в глубинных слоях Мирового океана оказы­ вает весьма существенное влияние на растворимость твердых тел.

\j Растворимость газов. Растворимость газов в воде зависит от природы газа, температуры, давления и солености воды. \J

Большой растворимостью в воде отличаются сероводород, угле­ кислый газ и другие газы (табл. 6).

23-

Таблица 5

Растворимость твердых веществ в воде (в граммах в 100 г раствора)

		Т ем п ература,	°C
В ещ ество		io
	0		20	30
С а ( N 0 3 ) 2	5 0 ,5	53 ,6	5 6 ,4	6 0 ,4
C a S 0 4	0,176	0,193	0 , 2 0 2	0 , 2 1 0
KBr2	3 4 ,9	37 ,3	3 9 ,5	4 1 ,4
КС1	2 1 ,9	23,8	2 5 ,5	27,1
K2 S 0 4	6 ,9	8 ,5	1 0 , 0	11,5
M gC l2	3 4 ,6	3 4 ,9	35 ,3	35,8
M g S 0 4	18,0	2 2 , 0	25 ,2	28 ,0
NaCI	26 ,3	2 6 ,3	2 6 ,4	26 ,5
N a H C 0 3	6 ,5	7 ,5	8 , 8	1 0 , 0

Таблица 6

Растворимость газов в воде (в мл/л) при парциальном давлении, равном 1 атм

	Т ем п ер ату р а,	°C
Г аз
0	1 0	20	30

0	2	49,22	38,42	31,45	26,73
n2		23,59	18,95	15,98	13,98
A t		5 7 ,8	4 5 ,3	3 7 ,9	3 2 ,6
H e		9 ,7	9 ,9	9 ,9	1 0 , 0
co2		1713	1194	878	665
H 2		21,48	19,55	18,19	16,99
C H 4		55,63	41,77	33,08	27,62
H 2S		4370	3590	2910	2330
C 2 H 2		1730	1310	1050	850

^/Зависимость растворимости газов от давления определяется законом Генри: растворимость газов в данном объеме жидкости (при постоянной температуре) прямо пропорциональна давлению газа V

_С—КР,

где С — количество растворенного	газа, в мл/л	(растворимость);
Р — давление данного газа над	раствором, в	атмосферах; К —

коэффициент пропорциональности, выражающий растворимость данного газа при давлении 1 атм.

Например, растворимость кислорода при температуре 20° С

идавлении 0,05 атм будет

С=/СР=31,45 • 0,50=15,72 мл/л.

Если над жидкостью находится смесь нескольких газов, то каж­ дый из них растворяется не в зависимости от общего давления

24

смеси, а в зависимости от своего парциального давления.^Растворимость смеси газов определяется законом Генри — Дальтона:

растворимость каждой составной части смеси газов в жидкости пропорциональна парциальному давлению данной составной части над раствором. \ /

На основании этого закона можно объяснить, почему в природ­ ных водах, соприкасающихся с атмосферным воздухом, азота со­ держится больше, чем кислорода, хотя растворимость азота почти в два раза меньше.

Если в атмосферном воздухе N2 содержится 78%, а кисло­ рода 21%, то отношение кислорода к азоту составляет примерно 1:4. При парциальном давлении кислорода 0,21, а азота 0,78 получим (табл. 6) растворимость газов при ^= 0°С:

Со2= 4 9 ,2 2 • 0,21 = 10,34 мл/л,

Cn2 = 2 3 ,5 9 • 0 ,7 8 = 1 8 ,4 0 мл/л,

что и составляет отношение растворенных в природных водах га­ зов О г: N2 ~ 1 : 2.

Газы H2S и Нг, парциальное давление которых в атмосферном воздухе равно нулю, не могут в нормальных условиях накапли­ ваться в воде у поверхности водоемов.

Растворимость газов зависит также от температуры и соле­ ности воды. В отличие от твердых веществ и жидкостей, раство­ римость газов с повышением температуры понижается (табл. 6). Также понижается растворимость газов и с увеличением солености воды (табл. 7).

1 Таблица 7

Растворимость кислорода и азота в морской воде (в мл/л) при температуре 0° С

			С оленость,	°/00
Газ	5		15	20	25	30	35
0		10

0 2 (по Трусдейлу, 9,91		9,61	9,3 2	9,03	8,73	8 ,4 4		8 ,1 4	7 ,8 5
Д аунингу и Л ау-
дену)	18,64	18,04	17,43	16,84	16,24	15,65		15,05	14,45
N2 (по таблицам
Зубова)
Кроме того, фактическое содержание газов в природных водах
определяется	также	интенсивностью химических,					биологических
и гидрологических (перемешивание, вертикальная							зимняя цирку­
ляция и др.)	процессов. Поэтому			содержание		многих		газов	(0 2,
СО2, N2) часто выражают в процентах от их насыщающего коли­
чества.

.^За насыщение принимают то количество газа, которое может раствориться в воде 'при данной температуре и солености (при сухом атмосферном воздухе и нормальном давлении).

25

Вопросы для обучения и самоконтроля

					Карточка №	5
					Растворы и растворители
			Вопросы				Э лем енты ответов
						1 )	благодаря
1.	Что назы вается		раствором ?			2 )	двух или
						3)	процентный
						4)	от природы
2.	Что назы вается		концентрацией раствора?			5)	содерж ащ егося
						6 )	титром вещ ества
						7)	дипольному моменту
3.	Н азвать	способы		вы раж ения концентра­		8 ) молекулярно-ионные смеси
						9)	давления
	ции вещ еств в растворе					1 0 )	нескольких
						1 1 )	и высокой
4.	От чего	зависит	растворимость?			1 2 )	в единице объема
						13)	большому
						14)	вещ еств (а)
S.	Почему	вода является хорошим раство ­				15)	нормальный
						16)	постоянной
	рителем?					17)	количество растворенного
						18)	диэлектрической	проницаемо­
							стью
						19)	молярный
						2 0 )	температуры
					Карточка №	6
					Растворим ость тверды х тел
			Вопросы				Элем енты ответов
;1.	К огда начинается			процесс растворения ?		1 )	сильнее
						2 )	с повышением
2.						3)	кристалла
	Чему равна скорость растворения (ско­					4)	растворивш ихся
	рость	перехода		ионов	с поверхности	5)	внутреннего стяж ения
	кристалла в раствор)?					6 )	будет равна
						7)	прямо
						8 )	увеличивается
3.	Чем определяется			скорость кристаллиза­		9)	решетки
	ции ?					1 0 )	ионов
						1 1 )	когда
						1 2 )	поверхности
•4.	К огда	устанавливается			динамическое	13)	кристаллической
	равновесие ?					14)	пропорциональна
						15)	растворения
						16). ионно-дипольные связи
.’5.	К ак зависит растворимость твердых ве­					17)	температуры
	щ еств от температуры ?					18)	общим содерж анием
						19)	скорость (скорости)
						2 0 )	кристаллизация	•

26

Карточка №

7

Растворимость газов

В опросы

Э лем енты ответов

1.

О т

чего

зависит

растворимость газо в ?

1

)

температуры

2

)

увеличивается

3)

растворимость

4) С = К Р

2.

К ак

зависит

растворимость газов

от д а ­

5)

пропорциональна

)

от природы

вления ?

6

7)

с увеличением

8

)

прямо

3.

О т

чего

зависит

растворимость

смеси

9)

воды

1 0 )

солености

газов ?

П )

смеси

1 2 )

с понижением

4.

К ак

зависит

растворимость

газов

от

13)

зависит

14)

газа

температуры ?

15)

давления (ю)

16)

понижается

5.

К ак

зависит

растворимость газов

от

со­

17)

а от своего

18) парциального (му)

лености ?

19)

каж дого

2 0

)

не от общего

Карточка №

8

Вода как растворитель

Вопросы

Э лем енты ответов

1.

Значение

воды в

органической ж изни

1 )

вещ еств

2

)

воды

3)

потому, что

2.

Почему

растения погибают

при

недо­

4)

тверды х частиц

5)

при повышении

статке

влаги ?

6

)

обмен

7)

прекращ ается

8

)

кислорода

3.

Почему

в

горячей воде белье лучше от­

9)

в водных растворах

1 0 )

парциальное давление

стиры вается ?

И )

при отсутствии

1 2 )

повышается

4.

Почему

в

природных водах аьота боль­

13)

происходит

14)

температуры

ше,

чем кислорода ?

15)

азота

5.

Почему полярны е воды М ирового океана

16)

в клетках

17)

в холодной воде

больше насыщены кислородом, чем воды

18)

растворимость

тропической зоны ?

19)

только

2 0 )

больше

27

§ 4. Основные положения теории электрической диссоциации

''-УПри растворении веществ в воде происходит разобщение их на молекулы и ионы. Одни вещества при растворении распадаются на молекулы, у других процесс распада идет дальше и молекула распадается на ионы. Такие растворы называются ионными.'/Ион­ ные растворы обладают способностью проводить электрический ток, в то время как молекулярные растворы ток не проводятуВещества, водные растворы которых проводят электрический ток,

называются электролитами.

Процесс распада электролитов на ионы под действием раство­ рителя называется электролитической диссоциацией или иони­ зацией.

'\J Способностью проводить ток обладают водные растворы кис­ лот, оснований, солей. Не проводят ток водные растворы газов, сахдра, спирта, глицерина и др .1^

•,/Морская вода представляет собой электролит — почти полно­ стью ионизированный раствор различных солей — и благодаря этому, является достаточно хорошим проводником электрического тока. \ /

Электропроводность морской воды, выраженная в обратных

омах на см • 105, зависит от температуры			и солености,	с повыше­
нием которых растет:
t °с		■S %»
	10	20	35
0	924	1747	2904
10	1219	2298	3810
25	1712	. 3215	5301
Электропроводность водных растворов кислот, оснований и со­
лей объясняет теория	электролитической		диссоциации,	разрабо­

танная в 1887 г. шведским ученым Сванте Аррениусом. В совер­ шенствовании этой теории большое значение имели труды рус­ ских ученых,особенно И. А. Каблукова.

Основные положения теории электролитической диссоциации

следующие.
1.	Электролиты с ионной или полярной структурой				при рас­
творении	в воде	частично	или полностью распадаются на		ионы.
У кислот, оснований и солей				положительно заряженными ионами
являются	атомы	водорода	и	металлов, а отрицательными — кис­

лотные и водные остатки. Например, молекула хлористого натрия NaCl распадается на положительно заряженный ион натрия Na+ и отрицательно заряженный ион хлора С1~; молекула азотной кис­ лоты H N 03— на положительный ион водорода Н+ и отрицатель­ ней сложный ион N 03~ и т. д.

28

2. Отличаясь от нейтральных . атомов или молекул наличием заряда, ионы обладают и совершенно иными свойствами.

Например, ион водорода содержится в растворе в большом количестве, в то время как газообразный водород почти нераство­ рим в воде; ион натрия, находясь в растворе, не действует на воду, а металлический натрий бурно реагирует с водой, образуя едкий натр; ион хлора не имеет ни запаха, ни цвета, ни других свойств газообразного хлора, являющегося отравляющим веществом.

3. Ионы в растворе	свободно	и беспорядочно передвигаются
в разных направлениях, но при		включении раствора электролита
в электрическую цепь	положительные		ионы движутся к отрица­
тельному электроду, а	отрицательные		ионы — к положительному,

т. е. ток переносится ионами; сила тока есть суммарный резуль­ тат движения положительных и отрицательных ионов.

И з	основных	положений теории электролитической		диссоциации следует, что
расп ад	молекул	на	ионы происходитv не под влиянием	тока, а при растворении
электролита в воде;			действие ж е тока на раствор заклю чается лиш ь		в переме­
щении ионов к электродам .
Ионизация (диссоциация) изображается				обычными	химиче­
скими	уравнениями, в которых слева пишут			формулы распадаю­

щихся молекул, а справа— образующиеся из них ионы с обозна­ чением зарядов знаками: + (плюс), ~ (минус).

Совершая в растворе беспорядочное тепловое движение, ионы сталкиваются между собой и благодаря разноименным зарядам

вновь соединяются	в молекулы. Таким образом, одновременно
с распадом молекул	на ионы (ионизация) в растворе происходит

иобратное соединение ионов в молекулу (моляризация).

Вто время как скорость диссоциации по мере распада моле­ кул уменьшается, скорость обратного процесса — моляризации — увеличивается. Когда скорости обоих процессов сравняются, на­ ступит состояние равновесия, при котором относительное количе­ ство недиссоциированных молекул и ионов остается постоянным. Таким образом, диссоциация не доходит до конца. Следовательно, электролитическая диссоциация, как и всякая диссоциация, пред­ ставляет собой обратимый процесс, который обозначается в урав­ нении двумя противоположно направленными стрелками:

^	---------------- * ионизация
НСЬ±Н+ + С Г
	---------------- моляризация.
Не все электролиты	обнаруживают одинаковую способность

к диссоциации. Одни из них полностью распадаются на ионы, дру­ гие частично и в разной мере.

Отношение числа диссоциированных молекул к общему числу растворенных молекул называется степенью диссоциации электро­ лита.

29

Например, если из 100 молекул NaCl, растворенных в воде, 65 диссоциировало на ионы, то степень диссоциации равна 0,65, или

65%.

Степень диссоциации зависит как от природы электролита, так и от концентрации раствора: при разведении раствора степень диссоциации электролита увеличивается. Для каждого электро­ лита степень диссоциации определяют путем измерения электро­ проводности раствора или другими методами.

По степени диссоциации электролиты подразделяются на силь­ ные и слабые.

Сильными называют электролиты, молекулы которых хорошо диссоциируют на ионы, степень диссоциации превышает 30—40%. К ним относятся кислоты (соляная, азотная, серная), основания (едкий натр, едкий калий, гидроокись кальция и бария), кроме гидроокиси аммония, и почти все соли (табл. 8).

					Таблица
	Степень диссоциации
Э л ек тр о л и т	К онцентрация раствора,				С тепень диссоциации
		тем пература
	Кислоты
НВг	0 ,5		н„	25° С	0,899
НС1	0 ,5		н„	25° С	0,784
HI	0 ,5		н„	2 5 ° С	0,901
h n o 3	1	. 0	н„	1 8 ° С	0,820
h 2s	0	, 1	н„ 1 8 ° С		0,0007
H 2 S 0 4	1	. 0	н„ 1 8 ° С		0,510

Основания

Ва (О Н ) 2 К О Н

NH 4 OH

NaOH

ВаС12, Са12 и др.

КС1, NaCl и др.

B a S 0 4 ,C u S 0 4 , A gN 0 3 и др.

1 .0			и.,	18° С	0,6 9
1 .0			г.,	18° С	0,7 7
1 .0			н.,	18° С	0,004
1 .0			н.,	18° С	0,73
Соли
0	, 1		н.	н.	0,7 5
0	, 0	0	1		0,9 5
0	, 1		н.	н.	0,8 3
0	, 0	0	1		0,9 8
0	, 1		н.	н.	0,4 0
0	, 0	0	0		0,8 5

Слабыми называют электролиты, молекулы которых лишь ча­ стично распадаются на ионы, степень диссоциации менее 30—40%. К ним относятся некоторые кислоты (уксусная, угольная, борная, сероводородная), все труднорастворимые в воде основания (гидро­ окись аммония) и некоторые соли (хлорид серебра).

30