Хімія. 9 клас. Гранкіна

§ 6. ПРОЦЕС РОЗЧИНЕННЯ РЕЧОВИН

— Я сьогодні ранком розмішував цукор у склянці з чаєм і спостерігав як він поступово зникає — розчиняється. Цікаво, як це можна пояснити?

ЯК ЖЕ ВІДБУВАЄТЬСЯ РОЗЧИНЕННЯ РЕЧОВИН?

Для цього поспостерігаємо, наприклад, як розчиняється доданий у чай цукор. Потрапляючи у воду, молекули цукру, які перебувають на поверхні кристалів цукру, утворюють із молекулами води міжмолекулярні водневі зв'язки. При цьому з однією молекулою цукру зв'язується кілька молекул води. Цей процес називають гідратацією. Тепловий рух молекул води змушує пов'язані з ними молекули цукру відриватися від кристала, і вони переходять у розчинник (рис. 19).

Рис. 19. Процес розчинення

При цьому молекули цукру продовжують бути з'єднаними з молекулами води, тобто вони є гідратованими. Ще говорять, що утворюються гідрати (рис. 20).

Рис. 20. Гідратація, утворення гідратів

• Гідрати не мають постійного складу, число молекул води в їхньому складі може змінюватися.

Молекули цукру, які перейшли з кристала в розчин, можуть пересуватися по всьому об'єму розчину разом із молекулами води завдяки тепловому руху. Це явище називають дифузією (рис. 21).

Дифузію особливо добре видно під час розчинення кристалика калій перманганату у воді.

Рис. 21. Дифузія

Дифузія відбувається повільно, тому біля поверхні кристалів є надлишок уже відірваних від кристала молекул цукру, але які ще не дифундували в розчин.

Вони заважають новим молекулам води підійти до поверхні кристала, щоби зв'язатися з його молекулами водневими або іншими міжмолекулярними зв'язками. Якщо розчин перемішувати, то дифузія відбувається інтенсивніше, а розчинення цукру — швидше. Гідратовані молекули цукру розподіляються рівномірно, і розчин стає однаково солодким по всьому об'єму.

Однак розчинення речовин із молекулярною будовою може відбуватися по-різному. Якщо молекули полярні, то під час розчинення можливий їх розпад на йони. Наприклад, так відбувається під час розчинення гідроген хлориду у воді. Якщо молекули неполярні, то розпаду на йони не відбувається.

Так само відбувається розчинення речовин з йонною структурою. Тільки в цьому випадку диполі води притягуються до йонів у кристалічних ґратках, утворюються гідратовані йони, які переходять у розчин.

• У водному розчині молекули (або йони) гідратовані.

Під час розчинення можливе навіть утворення нових речовин. Так, наприклад, під час розчинення вуглекислого газу у воді утворюється слабкий розчин карбонатної кислоти.

Терміни «гідратація», «гідрати» застосовують тільки до водних розчинів. Загальна назва розчинників — сольвенти. Тому для інших розчинників використовують терміни: процес сольватації, сольватовані молекули або йони.

ТЕПЛОВІ ЯВИЩА, ЯКІ СУПРОВОДЖУЮТЬ РОЗЧИНЕННЯ РЕЧОВИН

Під час приєднання молекул води до молекул або йонів розчиненої речовини виділяється певна кількість енергії. Ця енергія гідратації витрачається на руйнування кристалічних ґраток речовини. Але кількість виділеної й витраченої енергії зовсім не обов'язково однакова. Точніше, майже ніколи ці енергії не бувають рівними. Можливі варіанти:

1) Енергії, яка виділяється під час гідратації, більше, ніж потрібно для руйнування кристалічних ґраток розчиненої речовини. Куди дінеться надлишок? Він буде виділятися у вигляді теплової енергії, і розчин нагріватиметься.

Лабораторний дослід «Нагрівання розчину під час розчинення»

У склянку з водою помістимо 2-3 гранули натрій гідроксиду (обережно!). Перемішаємо розчин скляною паличкою. Визначимо зміну температури з допомогою термометра.

Розчини сильно нагріваються під час розчинення концентрованої сульфатної кислоти й інших речовин.

Мозковий штурм

Чому потрібно вливати концентровану сульфатну кислоту у воду, але не можна вливати воду в кислоту?

2) Енергії, яка виділяється під час гідратації, менше, ніж потрібно для руйнування кристалічних ґраток речовини, яка розчиняється. Проте розчинення відбувається. Звідки ж береться необхідна енергія? У процесі розчинення витрачається теплова енергія з розчину, і температура розчину знижується. Це відбувається під час розчинення, наприклад, амоній нітрату NH4NO3, натрій нітрату.

Дослід «Охолодження розчину під час розчинення»

У склянку з водою додамо трохи амоній нітрату NH4NO3 і ретельно перемішаємо. Можна доторкнутися до склянки й переконатися, що вона стала холодною, а можна виміряти температуру розчину.

РОЗЧИНЕННЯ ЯК ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ ПРОЦЕС

Які процеси відбуваються під час розчинення речовин — фізичні чи хімічні? Розглянемо детальніше.

З одного боку, речовини під час розчинення не змінюються, після випарювання розчинів ми можемо одержати розчинену речовину у твердому стані. Під час розчинення руйнується кристалічна ґратка розчиненої речовини, і її частинки переміщаються в розчині, отже, розчинення — це фізичний процес. Як було вже зазначено, для здійснення такого процесу необхідно витратити енергію.

З іншого боку, коли молекули розчиненої речовини зв'язуються з молекулами води водневими зв'язками, то фактично утворюються нові хімічні сполуки — гідрати. При цьому виділяється або поглинається енергія. У 7 класі ви вивчали, що однією з ознак хімічних реакцій якраз є теплові явища. Треба сказати, що гідратовані йони можуть за властивостями відрізнятися від негідратованих. Таким чином, розчинення має ознаки хімічного процесу.

• Процес розчинення — складний процес, у якому присутні й фізичні, і хімічні явища, тобто це фізико-хімічний процес.

Висновок:

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Під час виконання дослідів дотримуйтеся правил безпеки! Просимо допомоги батьків!

Зміна температури розчину

Візьміть 2 склянки з водою. Визначте температуру води термометром. В одну склянку насипте чайну ложку калЬцинованої соди, в іншу — стільки ж амоніакової селітри. Знову виміряйте температуру. Змініть дослід. Спробуйте розчиняти різну кількість соди й селітри. Визначте, скільки потрібно речовин для одержання найвищої й найнижчої температури. Складіть графік залежності температури від кількості розчинених речовин.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

  • 59. Який процес називають гідратацією?
  • 60. Чим гідратовані молекули або йони відрізняються від негідратованих? Які зв'язки існують між частинками розчиненої речовини і молекулами води?
  • 61. Поясніть, чому під час розчинення одних речовин розчин нагрівається, а під час розчинення інших речовин — охолоджується.
  • 62. Чому розчинення можна віднести до фізичних процесів?
  • 63. За якими ознаками розчинення можна віднести до хімічних процесів?

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

64. Де швидше відбувається дифузія: в рідинах або газах? Поясніть чому. Наведіть приклади.

65. Такі чинники, як:

  • подрібнення,
  • перемішування,
  • нагрівання,

можуть прискорити розчинення твердих речовин у рідині.

Спробуйте пояснити чому.

66. Як ви вважаєте, чи залежить виділення або поглинання тепла під час розчинення речовин від їх агрегатного стану?

67. Які речовини, на вашу думку, містяться у чашці чаю?

68. Які частинки (атоми, молекули або йони) будуть міститися в розчині, якщо у воді розчинити:

  • кухонну сіль;
  • кисень;
  • гідроген бромід.

69. Порівняйте процеси розчинення харчової соди у воді та її взаємодію з хлоридною кислотою.