8.1.3. Механизмы процессов растворения

Процесс растворения связан с разрушением структуры растворяемого вещества и распределением его молекул или ионов во всем объеме растворителя. При образовании растворов происходит изменение свойств и растворенного вещества, и растворителя.

Наиболее часто встречаются три механизма процессов растворения.

1. Химическое растворение осуществляется в результате химического

превращения. По окончании реакции невозможно физически выделить исходное вещество.

Например, растворение цинка в соляной кислоте:

Zn + 2HCl  ZnCl₂ + H₂.

2. Сольватация (в водных растворах гидратация) – процесс без явно

выраженных признаков химической реакции. Сольватация – взаимодействие растворителя с частицами растворенного вещества. Растворение большинства солей идет именно по этому механизму. Сольватация – это преимущественно физический процесс, при этом из раствора можно выделить исходное вещество.

Некоторые соли при растворении в воде образуют соединения переменного состава – кристаллогидраты. Большая часть кристаллогидратов малоустойчивы, но некоторые из них (например, медный купорос CuSO₄5H₂O, глауберова соль Na₂SO₄10H₂O) устойчивы настолько, что могут быть выделены из раствора при выпаривании.

3. Растворение газов (Н₂, О₂, N₂) в воде, некоторых жидкостей и твердых веществ в неполярных растворителях обусловлено дисперсионным эффектом. Дисперсионный механизм растворения можно рассматривать как простое перемешивание.

8.1.4. Термодинамика процесса растворения

Сам процесс растворения связан с диффузией, т.е. самопроизвольным распределением частиц одного вещества между частицами другого вещества. Критерием протекания процесса является энергия Гиббса G:

G = Н  ТS.

1. Для эндотермического процесса Н >0. Если процесс растворения идет с поглощением тепла, то он возможен только при увеличении энтропии S >0. Образование ионных растворов протекает именно таким образом.

2. Если процесс идет с выделением тепла H <0, то может быть как увеличение энтропии S >0,так и уменьшение энтропии S <0.

Энтальпия и энтропия растворения складываются из их значений для фазовых переходов, и их значений сольватации.

Н_раств. = Н_{фаз. перех.} + Н_сольв

S_раств. = S_{фаз. перех.} + S_сольв

Для процесса сольватации и энтальпия и энтропия уменьшаются.

Н_сольв<0, т.к. этот процесс всегда идет с выделением тепла;

S_сольв<0, т.к. система при сольватации переходит в более упорядоченное состояние.

Энтропия и энтальпия фазовых переходов зависят от самих фазовых переходов.

а) фазовый переход твердое вещество  жидкость

Н_{фаз. перех} >0, т.к. затрачивается энергия на разрушение кристаллической решетки;

S_{фаз. перех}<0, т.к. система переходит в менее упорядоченное состояние.

б) фазовый переход газ  жидкость

Н_{фаз. перех} <0, т.к. процесс конденсации экзотермический;

S_{фаз. перех}>0, т.к. система переходит в более упорядоченное состояние.

Раствор будет ненасыщенным, если G <0.

При равенстве энтальпийного и энтропийного факторов устанавливается равновесие (G =0), и раствор становится насыщенным. Равновесие может быть нарушено при изменении внешних условий – температуры, давления, введения других веществ.

В пересыщенном растворе G >0. такое состояние является неустойчивым. Его легко можно нарушить механическим воздействием на систему (встряхиванием, перемешиванием). При этом раствор из пересыщенного перейдет в насыщенный.