Тепловые эффекты при растворении. Кристаллогидраты
Процесс растворения вещества является физико-химическим и состоит из двух стадий: физической и химической, которые протекают одновременно.
На физической стадии происходит процесс измельчения растворяемого вещества до отдельных молекул или ионов и их равномерное распределение во всём объёме раствора. Осуществляется это за счёт действия молекул растворителя.
На этой стадии энергия всегда затрачивается, так как она необходима для разрыва связей в кристаллической решётке твёрдого вещества или межмолекулярных связей при растворении жидкости.
Покажем механизм этого процесса на примере растворения в Н2О соли KCl, которая имеет ионную кристаллическую решетку (рис. 40).
Рис. 40. Механизм растворения ионного соединения (KCl) в воде
Диполи растворителя (Н2О) ориентируются соответствующим образом относительно ионов кристаллической решётки и в результате своего теплового движения последовательно вырывают ионы из узлов решётки и переводят их в раствор.
Больше всего энергии затрачивается при растворении твёрдых веществ, имеющих атомную или ионную кристаллические решётки. При растворении твёрдых веществ с молекулярной кристаллической решёткой энергии затрачивается меньше.
Межмолекулярные связи в жидкостях во много раз слабее, чем связи в кристаллических решётках твёрдых веществ, поэтому при их растворении энергии затрачивается мало. В газах молекулы практически не связаны между собой, поэтому на физической стадии их растворения энергия не затрачивается.
На химической стадии растворения происходит межмолекулярное взаимодействие молекул или ионов растворённого вещества с молекулами растворителя и образуются химические соединения: гидраты (если в роли растворителя выступает Н2О) или сольваты (в общем случае, для любого растворителя).
В результате этого взаимодействия молекулы или ионы растворённого вещества покрываются оболочкой из молекул растворителя, которая называется гидратной (если растворитель Н2О) или сольватной (для любого другого растворителя).
Образование гидратных (сольватных) оболочек всегда сопровождается выделением энергии. При гидратации ионов количество выделившейся энергии зависит от величины их заряда и радиуса.
Чем больше заряд иона и меньше радиус, тем большее количество энергии выделяется, и тем более устойчивой будет образовавшаяся гидратная оболочка.
Если вещество в растворе находится в виде молекул, то количество выделяемой при их гидратации энергии пропорционально полярности этих молекул.
Физическая и химическая стадии процесса растворения протекают одновременно. Суммарный тепловой эффект при растворении вещества определяется соотношением между двумя этими стадиями. Если на физической стадии энергии затрачивается больше, чем её выделяется на химической стадии, то при растворении такого вещества температура раствора будет понижаться, а энергия, в целом, затрачиваться. Это наблюдается, например, при растворении NaCl, NH4NO3.
Если же на физической стадии энергии затрачивается меньше, чем выделяется на химической стадии, то при растворении таких веществ температура раствора, наоборот, будет повышаться, а энергия, в целом, выделяться. Особенно хорошо это наблюдается при растворении в воде NaOH, KOH, H2SO4.
Если на физической стадии затрачивается примерно столько же энергии, сколько выделяется на химической, то температура раствора при растворении такого вещества практически не будет меняться.
При растворении газов теплота всегда выделяется, т.к. на физической стадии энергия не затрачивается.
Тепловые эффекты растворения большинства веществ незначительны, поэтому заметного разогревания или охлаждения растворов, как правило, не наблюдается. Однако в некоторых случаях, например, при растворении в Н2О гидроксидов щелочных металлов и H2SO4, происходит настолько сильное разогревание раствора, что он может даже закипеть. Поэтому при приготовлении водных растворов кислот и щелочей требуется особая осторожность. В частности, при приготовлении раствора серной кислоты нужно приливать небольшими порциями кислоту в Н2О, а не наоборот.
При растворении NaCl или NH4NO3 температура раствора может, наоборот, понизиться до минусовой.
Обычно образовавшиеся гидратные (сольватные) оболочки являются непрочными и при выпадении вещества из раствора легко разрушаются. Но иногда гидратные соединения настолько устойчивы, что они выпадают из раствора в виде кристаллов.
Такие кристаллы, в образовании которых участвуют молекулы Н2О как самостоятельные единицы, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них Н2О – кристаллизационной.
В химических формулах кристаллогидратов молекулы Н2О пишутся через точку (табл. 15). Из этих формул видно, сколько молекул Н2О окружают одну молекулу вещества.
Таблица 15. Формулы и тривиальные названия кристаллогидратов
Название кристаллогидрата |
Химическая формула |
Сода кристаллическая |
Na2CO3 · 10 Н2О |
Медный купорос |
CuSO4 · 5 Н2О |
Железный купорос |
FeSO4 · 7 Н2О |
Глауберова соль |
Na2SO4 · 10 Н2О |
Английская соль |
MgSO4 · 7 Н2О |
Гипс |
CaSO4 · 2 Н2О |
Алебастр |
CaSO4 · 0,5 Н2О |
При достаточно сильном нагревании кристаллогидраты разрушаются, а кристаллизационная Н2О испаряется.
Систематические названия кристаллогидратов состоят из слова гидрат с приставкой, указывающей число молекул воды, приходящихся на одну молекулу вещества и названия самого вещества, образующего этот кристаллогидрат. Например:
CuSO4 · 5 Н2О – пентагидрат медь (II)-сульфата,
Na2SO4 · 10 Н2О – декагидрат натрий-сульфата.