Химия · Растворы и электролиты · 11 класс

Растворы и растворимость

Почему в горячем чае сахар растворяется лучше, а газировка в тепле быстро «выдыхается»?

Ситуация

В чайхане в горячий чай бросают нават — он быстро растворяется. Газировка, вынутая из холодильника, открывается с тихим шипением, а бутылка, нагретая на солнце, при открывании вспенивается и переливается. Почему многие твёрдые вещества лучше растворяются в горячей воде, а газы, наоборот, хуже? Сколько соли вмещает вода, откуда берутся кристаллы при охлаждении и что такое «горячий лёд»?

Тема

Растворы и растворимость. Чай, сахар и газированная вода: кривые растворимости, насыщенный и пересыщенный раствор («горячий лёд»)

Ключевые понятия

Кривая растворимости
Насыщенный и пересыщенный раствор
Растворимость газов

Формулы

s = \frac{m (вещества)}{m (воды)} \cdot 100 г

Коэффициент растворимости: масса растворённого вещества на 100 г воды в насыщенном растворе.

ω = \frac{s}{100 + s}

Массовая доля насыщенного раствора.

m (кристаллов) = m_{1} (соли) - m (воды) \cdot \frac{s_{2}}{100}

Кристаллы, выделяющиеся при охлаждении насыщенного раствора безводной соли от $t_{1}$ до $t_{2}$ .

c = k_{H} p

Закон Генри: растворимость газа пропорциональна его парциальному давлению; $k_{H}$ уменьшается с ростом температуры.

CuSO_{4} + 5 H_{2} O \overset{}{\to} CuSO_{4} \cdot 5 H_{2} O

Кристаллогидрат: белый безводный сульфат меди(II) превращается в синий медный купорос.

Теория

Растворы и дисперсные системы (§ 12)

Раствор — гомогенная (однородная) система из двух или более веществ: растворителя (чаще всего воды) и растворённого вещества. Любая система, в которой частицы одного вещества распределены в другом, — дисперсная система: распределённое вещество — дисперсная фаза, среда, в которой оно распределено, — дисперсионная среда. По размеру частиц: истинные растворы (молекулы и ионы, < 1 нм) — прозрачные, не оседают, проходят через фильтр; коллоидные растворы (1–100 нм; по IUPAC граница до 1 мкм) — кажутся прозрачными, но при боковом освещении виден путь луча (эффект Тиндаля); грубодисперсные системы (> 100 нм): суспензия (твёрдые частицы в жидкости — мел, глина) оседает, эмульсия (капли одной жидкости в другой — молоко, масло с водой) расслаивается.

Растворение — физико-химический процесс

При растворении кристалла разрушается решётка — на это тратится энергия; ионы и молекулы окружаются молекулами воды (гидратация) — при этом энергия выделяется. Что больше, от того раствор охлаждается или нагревается. При растворении 1 моль при 25 °C $NH_{4} NO_{3}$ поглощает 25,7 кДж (раствор охлаждается — «холодный компресс»), NaCl поглощает 3,9 кДж (почти незаметно), а NaOH выделяет 44,5 кДж (раствор нагревается). Изменение температуры: $Δ T = - n Δ H / (m c)$ . Вода гидратации может оставаться и в кристалле: белый безводный $CuSO_{4}$ с водой превращается в синий медный купорос $CuSO_{4} \cdot 5 H_{2} O$ — это кристаллогидрат. «Подобное растворяется в подобном»: ионные и полярные вещества хорошо растворяются в воде, неполярные (жир, иод) — в неполярных растворителях, например в бензине.

Растворимость (§ 13)

Растворимость (коэффициент растворимости) — наибольшая масса вещества, которая при данной температуре может раствориться в 100 г растворителя. Раствор, в котором растворено столько вещества, — насыщенный: в нём кристаллы находятся в равновесии с раствором, лишняя соль не растворяется; раствор с меньшим содержанием — ненасыщенный. У большинства твёрдых веществ растворимость растёт с температурой, но по-разному: кривая $KNO_{3}$ крутая (31,6 г при 20 °C, 110 г при 60 °C, 246 г при 100 °C), у поваренной соли почти горизонтальная (35,9 → 39,0 г), у сульфата меди средняя (20,1 → 77,0 г). Поэтому при охлаждении горячего насыщенного раствора $KNO_{3}$ выпадает много кристаллов — на этом основана очистка веществ перекристаллизацией. Некоторые вещества, например $Ca (OH)_{2}$ , в тепле растворяются хуже. Точка на кривой растворимости — насыщенный раствор, ниже кривой — ненасыщенный, выше — пересыщенный.

Растворимость газов и закон Генри

Газы в горячей воде растворяются хуже: при растворении газа теплота выделяется, поэтому нагревание выгоняет газ из раствора. При давлении 101,3 кПа $CO_{2}$ растворяется при 20 °C ≈ 1,7 г/л, при 0 °C — почти вдвое больше. Из кислорода воздуха в воду переходит при 20 °C ≈ 9 мг/л, при 0 °C — ≈ 14,6 мг/л, поэтому летом в тёплом пруду рыбам не хватает кислорода. Закон Генри (Уильям Генри, 1803): при постоянной температуре растворимость газа пропорциональна его парциальному давлению, $c = k_{H} p$ . Газированная вода в закрытой бутылке находится под давлением $CO_{2}$ выше атмосферного; при открывании давление падает, раствор становится пересыщенным, и газ выходит пузырьками. Если водолаз быстро поднимается, растворённый в его крови азот так же может образовать пузырьки (декомпрессионная болезнь).

Пересыщенный раствор и кристаллизация

Осторожно охлаждённый насыщенный раствор может не выделить лишнее вещество сразу — он остаётся пересыщенным: растворено больше, чем позволяет растворимость, но нет центра кристаллизации. Это состояние неустойчиво: один кристаллик или пылинка запускают кристаллизацию, и она распространяется по всему раствору. Тригидрат ацетата натрия $CH_{3} COONa \cdot 3 H_{2} O$ при 58 °C «плавится» в собственной кристаллизационной воде; если в охлаждённый раствор бросить кристаллик, он затвердевает, как «лёд», но тёплый: при кристаллизации выделяется ≈ 264–289 кДж/кг теплоты. На этом работают химические грелки, их нагревают в кипятке и используют повторно. Нават тоже выращивают на нитках из горячего густого сахарного сиропа, когда он остывает и становится пересыщенным (сахароза растворяется при 20 °C 201,9 г, при 100 °C 476 г).

Задачи (§ 14), безопасность и модель

В насыщенном растворе $ω = s / (100 + s)$ . В $m$ г раствора, насыщенного при $t_{1}$ , соли $m s_{1} / (100 + s_{1})$ , воды $100 m / (100 + s_{1})$ г. При охлаждении до $t_{2}$ из безводной соли выделяется $x = m_{соли} - m_{воды} s_{2} / 100$ г кристаллов. Кристаллогидрат ( $CuSO_{4} \cdot 5 H_{2} O$ ) уносит с собой и воду: $(m_{соли} - k x) / (m_{воды} - (1 - k) x) = s_{2} / 100$ , где $k = M (CuSO_{4}) / M (CuSO_{4} \cdot 5 H_{2} O)$ = 0,639. Безопасность: при растворении NaOH раствор сильно нагревается и может разбрызгиваться — наденьте защитные очки; если щёлочь попала на кожу, промойте большим количеством воды. Горячую посуду берите щипцами; медный купорос ядовит, ничего не пробуйте на вкус. Модель: растворимость — линейная интерполяция между табличными точками; теплоёмкость раствора в калориметре как у воды, потерь тепла нет; время растворения, кристаллизации, нагрева-охлаждения и выхода газа сокращено; участок кривой ацетата натрия 50–58 °C — интерполяция, теплоёмкость колбы приближённая; для газов константы Генри (Сандер) и зависимость вант-Гоффа; цвета коллоида, суспензии и эмульсии условные.

Знаете ли вы?

В многоразовых грелках находится пересыщенный раствор ацетата натрия: изгиб металлической пластинки запускает кристаллизацию, и выделившаяся теплота греет руку. Если нагреть грелку в кипятке, пока кристаллы не растворятся, и медленно остудить, её можно использовать снова.
Пропорциональность растворимости газов давлению установил в 1803 году английский химик Уильям Генри. Если водолаз быстро поднимается с глубины, растворённый в крови азот образует пузырьки, что может вызвать декомпрессионную болезнь.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кислоты и металлы — 7 класс
Кислоты, основания и индикаторы — 7 класс
Очистка и умягчение воды — 7 класс
Электролитическая диссоциация — 9 класс
Гидролиз солей и среда — 9 класс
Концентрация раствора — 11 класс
Закон Рауля, перегонка и осмос — 1 курс