Растворимость.

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание его в насыщенном растворе. Поэтому численно растворимость может быть выражена теми же способами, что и состав, например, процентным отношением массы растворенного вещества к массе насыщенного раствора или количеством растворенного вещества, содержащимся в 1 л насыщенного раствора.

Для растворимости существует критерий, который называют коэффициентом растворимости, который показывает количество грамм растворенного вещества в 100 г растворителя.

Исходя из этого, вещества можно разделить на следующие категории:

1) Нерастворимые (практически нерастворимые) – Ag, Au, стекло (растворимость менее 0,01г на 100г воды);

2) Малорастворимые –CaSO₄, PbSO₄ (растворимость менее 1г на 100г воды);

3) Хорошо растворимые – сахар, CuSO₄, этиленгликоль (растворимость более 10г на 100г воды).

Растворимость вещества зависит от условий существования раствора.

I) Растворимость твердых веществ.

Растворение большинства твердых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решетки твердого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов. Уравнение растворения твердых тел можно записать следующим образом:

Кристалл + Растворитель ↔ Насыщенный раствор, ΔH.

Согласно принципу Ле-Шателье, при ΔH>0 повышение температуры приведет к повышению растворимости, а при ΔH<0 повышение температуры приведет к понижению растворимости.

Зависимость между растворимостью и температурой удобно изображать графически – в виде кривых растворимости (Рис.1).

При растворении твердых тел в воде объем системы обычно изменяется незначительно. Поэтому растворимость веществ, находящихся в твердом состоянии, практически не зависит от давления.

II) Растворимость жидкостей.

Некоторые жидкости неограниченно растворимы одна в другой, т.е. смешиваются друг с другом в любых соотношениях (спирт и вода). Другие – взаимно растворяются лишь до известного предела (диэтиловый эфир и вода). Так, если взболтать диэтиловый эфир с водой, то образуется два слоя: верхний представляет собой насыщенный раствор воды в эфире, а нижний – насыщенный раствор эфира в воде. В большинстве случае с повышением температуры взаимная растворимость жидкостей увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута температура, при которой обе жидкости смешиваются любых пропорциях. Такая температура называется критической температурой растворения.

Взаимное растворение жидкостей также обычно не сопровождается значительным изменением объема и мало зависит от давления, но заметно возрастает лишь при очень высоких давлениях.

III) Растворимость газов.

Газы делятся на 2 типа:

1) Газы, практически не взаимодействующие с растворителем (O₂, N₂, He). Эти газы растворяются очень плохо, причем с повышением температуры их растворимость всегда понижается, т.к. увеличивается энергия молекул газа, связи с растворителем легче рвутся, и газ улетает. Исключение O₂ в глицерине (до 40 градусов растворимость растет, за счет водородных связей глицерина). С повышением давления растворяемого газа его растворимость увеличивается, что видно из закона Генри:

Если газ малорастворим в жидкости и давление его невелико, то растворимость газа, выраженная в г/л или моль/л пропорциональна давлению.

С = kP,

где С – концентрация газа в жидкости, k – коэффициент пропорциональности (константа Генри), зависящий от температуры, P – парциальное давление.

Следствие из закона Генри:

Растворимость, выраженная в объемных единицах не зависит от давления, под которым находится газ, и называется коэффициентом растворимости (α).

2) Газы, химически взаимодействующие с растворителем (HCl, CO₂, NH₃). Они очень хорошо растворяются, что определяется их природой. С повышением температуры растворимость этих газов понижается, с повышением давление – возрастает, но уравнению Генри не подчиняется.

Осмос.

Если поместить в цилиндр концентрированный раствор какого-либо вещества, например сахара, а поверх него осторожно налить слой более разбавленного раствора сахара, то вначале сахар и вода будут распределены в объеме раствора неравномерно. Однако через некоторое время молекулы сахара и воды вновь равномерно распределятся по всему объему жидкости. Возникает направленное перемещение сахара из концентрированного раствора в разбавленный, а воды – из разбавленного раствора в концентрированный. Каждое вещество переносится туда, где его концентрация ниже. Такой самопроизвольный процесс перемещения вещества называется диффузией. В ходе диффузии энтропия системы возрастает, и при достижении максимума диффузия прекращается.

В данном случае наблюдается встречная или двусторонняя диффузия. Если между двумя растворами поместить полупроницаемую перегородку, через которую растворитель может проходить, а растворенное вещество – нет, то выравнивание концентраций будет происходить только вследствие перемещения молекул воды из более разбавленного раствора сахара. Такая диффузия является односторонней и называется осмосом.

Осмос – переход растворителя из менее концентрированного раствора в более концентрированный раствор вещества (Рис. 2).

Сила, приходящаяся на единицу площади и заставляющая растворитель переходить через полупроницаемую перегородку в раствор, находящийся при том же внешнем давлении, что и чистый растворитель, называется осмотическим давлением (π).

При измерениях осмотического давления различных растворов было установлено, что оно зависит от концентрации раствора и от его температуры, но не зависит ни от природы растворенного вещества, ни от природы растворителя. Для определения осмотического давления разбавленных растворов неэлектролитов используется уравнение Вант-Гоффа:

π = C_ВRT,

где π – осмотическое давление раствора кПа, C_В – молярная концентрация раствора моль-л; R – универсальная газовая постоянная Дж/(моль*К).

C_В = n_В/V_р; а n_В = m_В/M_В, следовательно C_В = m_В/ (V_р M_В)

Подставив выражение для концентрации в уравнение Вант-Гоффа, получаем:

π V_р = m_ВRT/ M_В.

Это уравнение позволяет по величине осмотического давления раствора определять молярную массу растворенного вещества.

Если к раствору, отделенному от воды полупроницаемой перегородкой, приложить внешнее давление, равное осмотическому давлению раствора, то осмос прекратится. Если же приложенное внешнее давление превысит осмотическое, то диффузия воды будет происходить в противоположном направлении, чем при осмосе. Такое явление получило название обратный осмос (опреснение морской воды).