7.4. Растворимость веществ в воде

По концентрации растворы бывают разбавленные, концентрированные и насыщенные.

Насыщенными называются растворы, в которых осадок нерастворенного вещества находится в равновесии с раствором.

Количественно растворимость твердых веществ выражается в виде коэффициента растворимости – массы вещества в граммах, насыщающего 100 г растворителя при данной температуре.

Растворимость веществ зависит от:

1. природы растворителя и растворенного вещества. Согласно правилу: «подобное растворяется в подобном» вещество лучше растворяется в таких растворителях, которые химически ему подобны, например масла и другие вещества с неполярным типом связи – в углеводородных растворителях (бензин, керосин, бензол), вещества с полярным типом связи – в полярных растворителях (вода, спирт);

2. давления, если растворяется газ.

Зависимость растворимости газов от давления для молекулярных растворов описывается законом Генри (1807 г.): растворимость газа пропорциональна его парциальному давлению над раствором:

p = K  N

(7.6)

где p – парциальное давление газа (давление газа, какое бы он оказывал, если бы один занимал предоставленный объем); N – его мольная доля в растворе; K – константа Генри.

Этот закон справедлив для газов с ограниченной растворимостью, не взаимодействующих химически с растворителем и находящихся при невысоких давлениях.

7.5. Изменение энтальпии и энтропии при растворении

Жидкие растворы – физико-химические системы. Они занимают промежуточное положение между смесями и химическими веществами. В отличие от смесей в растворах молекулы распределены равномерно по всему объему раствора, в отличие от химических соединений имеют переменный состав.

Обычно растворение сопровождается тепловыми эффектами, продукты взаимодействия растворителя и растворенного вещества – сольваты (гидраты) обладают индивидуальными свойствами, что свидетельствует о химическом характере взаимодействия растворенного вещества и растворителя. Это нашло свое отражение в гидратной теории Д.И. Менделеева, согласно которой при образовании растворов происходят не только физические, но и химические процессы. И.А. Каблуков доказал существование соединений переменного состава в растворах, что явилось развитием идей Менделеева. В противовес теории Менделеева С. Аррениус и другие представители «физической теории растворов» считали движущей силой процесса растворения возрастание энтропии (S > 0).

При растворении веществ протекают следующие процессы: связь между частицами (молекулами, атомами, ионами) в растворенном веществе и растворителе разрушается, что связано с поглощением теплоты Н > 0). Одновременно происходит образование сольватов (гидратов), сопровождающееся выделением теплоты (Н < 0). Затем идет распределение сольватированых частиц растворенного вещества в растворителе, что связано с небольшим поглощением теплоты Н > 0). Общий тепловой эффект растворения зависит от того какой из тепловых эффектов указанных стадий преобладает.

Растворение кристаллических веществ часто идет с поглощением теплоты (H > 0) и обычно сопровождается ростом энтропии (S > 0). В таком случае самопроизвольному течению процесса растворения кристаллических веществ в воде способствуют высокие температуры. Однако растворимость некоторых солей, например FeSO₄H₂O, Na₂SО₄Н₂О, Na₂SО₄ снижается с увеличением температуры.

Растворение газов в воде идет а) с выделением теплоты (Н < 0), так как нет кристаллической решетки, на разрушение которой надо было бы затрачивать энергию, и б) с убылью энтропии (S < 0), так как в растворе подвижность молекул ниже, чем в газообразном состоянии. Самопроизвольному течению процесса растворения газов в воде способствуют низкие температуры. Чем выше температура, тем более вероятно, что величина T·S достигнет значения H, а равенство H = TS будет отвечать равновесию процесса растворения (G = 0), т.е. насыщению раствора.