книги из ГПНТБ / Шишкина, Л. А. Гидрохимия учебное пособие

Карточка № 4

Структура воды

Вопросы Элементы ответов

§ 3. Растворимость твердых тел и газов

Раствором называется жидкая гомогенная система, состоящая

из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий

20

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

Количественно концентрацию раствора выражают различнымй способами:

1) в процентах растворенного вещества по отношению ко всему количеству раствора — процентный раствор (%);

2) числом грамм-молекул (молей) растворенного вещества, со­

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 нет, если время для растворения данного вещества неограничено. По­ этому 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

Растворимость твердых веществ. Большинство твердых ве­ ществ имеет кристаллическое строение. В узлах их кристалличе­ ской решетки находятся молекулы (органические соединения) или ионы (неорганические соединения), удерживаемые силами электро­ статического притяжения.

При соприкосновении твердого вещества с водой ионы или молекулы, составляющие решетку, взаимодействуют с диполь­ ными 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.

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 СаС^^НгО.

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 поверхность кристалла. 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.

Рис. 5. Схема растворения твердых 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).

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

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

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)

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

С = К Р ,

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

Например, растворимость кислорода при температуре 20° С

идавлении 0,05 атм будет

С=АГР=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. Раство­ римость 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 ,22 • 0,21 = 10,34 мл/л, CNj =23,59 • 0,78=18,40 мл/л,

что и составляет отношение растворенных в природных водах га­ зов 0 2: N2 ~ 1 : 2.

Газы H2S и Н2, 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).

С 02, 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 Элементы ответов

:26

Карточка № 7

Растворимость газов

Карточка Лг2 8

Вода как растворитель

Вопросы Элементы ответов

27

§ 4. Основные положения теории электрической диссоциации

При 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 проводят. Ве­ щества, водные растворы которых проводят электрический ток,

называются электролитами.

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

Способностью проводить ток обладают водные растворы кис­ лот, оснований, солей. Не проводят ток водные растворы газов, сахара, спирта, глицерина и др.

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:

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

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 отрицательнай 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,

аметаллический 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

вразных направлениях, но при включении раствора электролита

вэлектрическую 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.

Из основных положений теории электролитической диссоциации следует, что распад молекул на ионы происходит не под влиянием тока, а при растворении электролита в воде; действие же тока на раствор заключается лишь 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

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 НС1^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