3. Розчинність твердих речовин в рідинах

Процес розчинення твердих речовин у рідинах складається із руйнування кристалічної гратки і дифузії речовин в об’єм. При цьому під впливом розчинника, від поверхні твердих речовин поступово відриваються окремі молекули або йони і рівномірно розподіляються по всьому об’єму розчину.

Розчинність твердих речовин в рідинах визначається природою розчинника і розчиненої речовини, а також температурою. При розчиненні твердої речовини в рідині досягається концентрація, при якій тверда речовина перестає розчинятися і встановлюється рівновага між розчином і твердою речовиною. Такий розчин називають насиченим.

Концентрація насиченого розчину будь-якої речовини при даній температурі постійна і характеризує розчинність цієї речовини.

При певних умовах можна одержати розчини, концентрація яких вища концентрації насиченого розчину. Такі розчини називаються перенасиченими.

Розчин називається перенасиченим, коли в ньому міститься значно більше розчиненої речовини, ніж її потрібно для насичення при даній температурі.

Вони досить нестійкі і при перемішуванні, струшуванні або попаданні них твердих частинок (пил тощо) розділяються на осад розчиненої речовини і насичений розчин. У спокійному стані вони можуть роками залишатися без змін.

Швидкість розчинення твердої речовини залежить від розміру частинок – великі шматки твердої речовини слід подрібнювати в ступці. Проте гігроскопічні речовини не подрібнюють перед розчиненням. Якщо порошок при висипанні у воду спливає і не змочується, то його слід спочатку змочити етиловим спиртом, а потім додавати у воду. Смолисті речовини перед розчиненням слід розрізати на невеликі шматочки і вводити до розчинника поступово.

Розчинення твердих речовин супроводжується поглинанням або виділенням теплоти, яку відносять до 1молю розчиненої речовини. Різниця в знаках теплового ефекту розчинення пояснюється тим, що при розчиненні твердих речовин в рідині одночасно йдуть два процеси – взаємодія молекул розчинника з молекулами або іонами твердої речовини (сольватація) або при розчиненні у воді (гідратація) та руйнування твердої речовини з розподіленням її по всьому об’єму розчину. При сольватації енергія виділяється (ΔН₁< 0), на руйнування твердої речовини енергія витрачається (ΔН₂ > 0). Сумарний тепловий ефект залежить від абсолютних значень ΔН₁ та ΔН₂ і може бути як позитивний, так і від’ємним.

Рис.5. Схема розчинення кристалів солі NaCl у воді

Сольватацію можна розглядати на прикладі розчинення кристалів солі NaCl у воді (рис.5). Диполі води орієнтуються навкруги від’ємних іонів хлору своїм позитивним полюсом, а навкруги позитивних іонів натрію – від’ємним, тобто відбувається гідратація іонів. В результаті цього процесу зв’язок між поверхнево розташованими іонами в кристалі хлористого натрію послаблюється. Іони натрію і хлору відриваються від кристалу, а молекули води утворюють навкруги них так звану гідратну оболонку.

Процес розчинення у воді NaCl практично не має теплового ефекту, бо енергія гідратації майже дорівнює енергії руйнування кристалу.

При розчиненні у воді КСl з досить стійкою кристалічною граткою, іони К⁺ і Сl^- гідратуються і енергія ΔН_1, що виділяється при цьому, компенсує більшу частину енергії ΔН₂, необхідної для руйнування кристалічної гратки. Отже, за абсолютним значенням ΔН₂ >ΔН₁ і при розчиненні КСl у воді теплота буде поглинатися з оточуючого середовища, тобто цей процес ендотермічний.

Розчинність кристалогідрату CuCl₂∙2H₂O супроводжується виділенням теплоти, тобто процес екзотермічний, бо енергія гідратації значно перевищує енергію руйнування твердого тіла.

Знак теплового ефекту визначає і вплив температури на розчинність. Процес розчинення більшості твердих речовин ендотермічний і з підвищенням температури розчинність збільшується.

Для деяких речовин з підвищенням температури розчинність зменшується, оскільки процес їх розчинення екзотермічний.

Розчинність твердих речовин завжди обмежена. Але абсолютно нерозчинних речовин в природі не існує, хоча і є речовини, практично не розчинні у воді. До них можна віднести BaSO₄, CaCO₃, CuS, AgCl та інші.

Як і будь-який фізико-хімічний процес, процес розчинення підкоряється певним закономірностям. Відомо, що швидкість хімічних процесів залежить від температури. Аналогічно, швидкість розчинення речовин при підвищенні температури збільшується, отже, збільшується і розчинність.

На швидкість розчинення впливають дифузія та ступінь подрібнення речовини. Швидкість переходу речовини з кристала в розчин, тобто швидкість гідратації, на два порядки більша, ніж швидкість дифузії гідратованої молекули (чи іона) у глибину розчину. Тому для того, щоб збільшити швидкість розчинення, розчин необхідно перемішувати. При цьому збільшується швидкість дифузії гідратованих частинок у розчин. Оскільки процес розчинення відбувається лише на поверхні розподілу фаз, то чим більшою є ступінь подрібнення речовин, тим більшою є його питома поверхня і, отже, вищою є швидкість розчинення.