Хімія. 9 клас. Лашевська

§ 7. Розчинність речовин, її залежність від різних чинників. Насичені та ненасичені, концентровані й розведені розчини

Після опрацювання параграфа ви зможете:

• пояснювати вплив різних чинників на розчинність речовин;
• розрізняти насичені й ненасичені, концентровані й розведені розчини.

Ви вже знаєте, що є речовини розчинні, малорозчинні й нерозчинні, і вмієте використовувати довідкову таблицю «Розчинність, кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді» для якісного визначення розчинності цих речовин.

• Завдання. Скористайтеся таблицею «Розчинність кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді» (див. додаток 9) і наведіть приклади: а) розчинної солі; б) малорозчинної основи; в) нерозчинної кислоти.

Чи можна кількісно схарактеризувати властивість речовини розчинятися?

Розчинність - це максимальна маса (г) речовини, яка може за певних умов (температури, тиску) розчинитися в розчиннику масою 100 г.

Розчинність залежить від природи розчинюваної речовини та розчинника, температури й (для газуватих речовин) тиску. Деякі речовини необмежено розчиняються у воді. Це сульфатна, нітратна, оцтова (етанова) кислоти, гідроген пероксид, винний спирт (етанол) тощо.

Розчинність добре розчинних речовин становить понад 10 г. Пригадайте з курсу хімії 8-го класу: гідроген хлорид добре розчиняється у воді, його розчинність за 20 °С дорівнює 72,47 г. Якщо розчинність речовин від 1 г до 10 г, то речовини називають розчинними. Наприклад, розчинність брому у воді становить 3,58 г.

Розчинність малорозчинних речовин - від 0,001 г до 1 г. Кальцій карбонат (крейда) - приклад практично нерозчинної речовини, оскільки її розчинність у воді менша за 0,001 г. Тобто абсолютно нерозчинних речовин не існує. Навіть дуже малоактивні метали здатні незначним чином розчинятися у воді. Щоб мати гладеньку шкіру та ніжний рум’янець, слов’янські красуні здавна вмивались водою зі срібного глечика. Й дотепер люди використовують бактерицидні (протимікробні) властивості срібла. Розчинність золота надзвичайно мала. Тим паче вражає той факт, що маса цього металу, розчиненого у Світовому океані, становить, щонайменше, 27 млн тонн.

Розгляньмо чинники, які впливають на розчинність речовин, докладніше. Неабияке значення мають природа розчинюваної речовини і розчинника. Як це пояснити? Під час утворення розчину зв’язки між частинками кожного з його компонентів замінюються на зв’язки між частинками різних компонентів. Щоб нові зв’язки могли утворюватися, у компонентів розчину мають бути однотипні зв’язки, тобто - однакова природа (рис. 7.1). Саме тому в неполярних розчинниках добре розчиняється чимало молекулярних речовин із ковалентним неполярним типом зв’язку. Наприклад, кисень, малорозчинна у воді речовина, значно ліпше розчиняється в неполярному розчиннику - бензині (рис. 7.2).

Рис. 7.1. Щоб речовина могла розчинитися в розчиннику, складники розчину мають бути однієї природи

Різну розчинність речовин використовують для розділення сумішей. Наприклад, розділення суміші йоду й спирту ґрунтується на різній розчинності йоду у воді й спирті. У спирті неполярна речовина йод розчиняється значно ліпше. Це пояснюється більшою полярністю молекул води порівняно з молекулами спирту. Натомість спирт і вода мають необмежену взаємну розчинність. Якщо налити в склянку однакові порції спиртової йодної настоянки й холодної води, то незабаром на дно склянки осядуть кристалики йоду.

Рис. 7.2. «Подібне розчиняється в подібному»: 1. Тверда неполярна речовина (А) розчиняється в неполярному розчиннику (Б). 2. Тверда йонна речовина (В) розчиняється у воді з утворенням гідратованих йонів. 3. Тверда неполярна речовина (А) не розчиняється у воді - полярному розчиннику. 4. Тверда йонна речовина (В) не розчиняється в неполярному розчиннику (Б)

Розчинність твердих речовин з підвищенням температури здебільшого зростає¹. Розчинність газів залежить не лише від температури, а й від тиску. Щоб з’ясувати, як впливає зміна тиску на розчинність газів, можна виконати простий дослід: потрібно лише відкоркувати бляшанку з улюбленим газованим напоєм. Тиск у закритій бляшанці з ним підвищений, але після відкорковування знижується до атмосферного, і з розчину починають виділятися бульбашки вуглекислого газу (рис. 7.3). Отже, зі зменшенням тиску розчинність вуглекислого газу зменшується.

¹ Трапляються тверді речовини, розчинність яких мало залежить від температури (NaCl) або навіть зменшується з її зростанням (Са(ОН)₂).

Рис. 7.3. 1. Зміни, які відбуваються під час відкорковування бляшанки з газованим напоєм. 2. Залежність розчинності газів від тиску.

Завдання. Спробуйте пояснити, чому зі зростанням тиску розчинність газів збільшується

Задля з’ясування впливу температури на розчинність вуглекислого газу у воді візьмімо дві однакові пластикові пляшки з газованою водою. Одну з пляшок охолодимо в холодильнику, а другу нагріємо, зануривши в посудину з теплою водою. Одночасно відкоркуємо обидві пляшки й порівняємо інтенсивність виділення бульбашок вуглекислого газу з розчинів. На відміну від більшості твердих речовин, розчинність газів зі зростанням температури зменшується, тому з нагрітого розчину газ виділяється інтенсивніше, ніж з охолодженого.

Насичені й ненасичені розчини. За умови контакту води з достатньо великою кількістю кристалів розчинюваної речовини число структурних частинок, які відокремлюються від кристала й приєднуються до нього, стає однаковим. Тобто хоча на мікрорівні¹ взаємообернені процеси розчинення й кристалізації тривають, на макрорівні спостерігаємо припинення розчинення (рис. 7.4).

¹ Пригадайте, макросвіт є світом матеріальних об’єктів, що за масштабами можуть бути порівняні з людськими параметрами й самою людиною. Мікросвіт - це молекули, атоми, елементарні частинки - світ дуже малих об’єктів, які простим оком побачити неможливо.

Рис. 7.4. Утворення насиченого розчину солі Нікелю(ІІ). 1-3. Поступово збільшується кількість структурних частинок, які відокремлюються від кристалів солі й переходять у розчин. 3, 4. Хоча на мікрорівні взаємообернені процеси розчинення й кристалізації тривають, на макрорівні спостерігаємо припинення розчинення

Насичений розчин - це розчин, у якому концентрація розчиненої речовини за певних умов досягла максимальної концентрації й розчинювана речовина більше не розчиняється. Осад цієї речовини знаходиться в рівноважному стані з речовиною в розчині.

Добавляння до насиченого розчину води порушує рівновагу в ньому - починає переважати процес розчинення, і розчин стає ненасиченим. Надлишок розчинюваної речовини - достатня умова насиченості розчину. Саме з насичених розчинів вирощують чудові кристали (рис. 7.5).

Рис. 7.5. 1. Вирощування кристалів з підфарбованих харчовими барвниками розчинів цукру та кухонної солі. 2. Вишукані цукрові смаколики до чаю. 3. Барвисті ялинкові прикраси з кристаликів кухонної солі

У природі трапляються як насичені, так і ненасичені розчини. Наприклад, столові мінеральні води - ненасичені розчини. А ропа лиманів - насичений розчин солей. Як перетворити насичений розчин твердої речовини в рідині на ненасичений і навпаки? Ці способи наведено на рисунку 7.6.

Рис. 7.6. Взаємоперетворення насичених і ненасичених розчинів

Цікаво і пізнавально

Існують і пересичені розчини. Їх зазвичай одержують під час повільного охолодження насичених розчинів. Пересичені розчини - нестійкі системи. Найменше струшування порушує рівновагу в них - відбувається миттєва кристалізація. Наприклад, унесення в пересичений розчин натрій ацетату кристалика цієї солі або струшування зумовлює швидку кристалізацію, яка супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Цю властивість пересиченого розчину натрій ацетату використовують у сольових грілках.

Розрізняють концентровані й розбавлені розчини. Концентрація розчиненої речовини в розбавленому розчині завжди менша, ніж у концентрованому. Води Мертвого моря (Ізраїль) - надзвичайно концентрований розчин солей. Натомість в озері Байкал (Росія) уміст розчинених солей дуже низький (рис. 7.7).

Рис. 7.7. 1. Мертве море - одна з найсолоніших водойм світу (запас солей - близько 43 млрд т), концентрація солей - 26-27 % (в окремі роки - 31 %). 2. Солоність води озера Байкал менше ніж 1 %

Цікаво і пізнавально

Унікальне підземне озеро знайшли дайвери в Соледарі (Донеччина). Вода в ньому солона й за властивостями подібна до води Мертвого моря. Ще одна загадка для вчених - що глибше, то гарячішою стає вода в озері. На поверхні температура ледве сягає 18 °С, а на глибині підвищується до 35 °С. На дні водойми підводні дослідники очікують знайти причини унікальності озера. Однак густина води заважає їм зануритися глибше, ніж на шість метрів, бо аквалангістів виштовхує на поверхню сила Архімеда.

Оцтова есенція - концентрований водний розчин етанової кислоти, столовий оцет - її розбавлений розчин¹.

¹ Частка етанової кислоти в оцтовій есенції становить близько 70-80 %, а в столовому оцті - 3-7 %.

Утім, концентрований розчин може бути ненасиченим. Наприклад, за 20 °С у воді масою 100 г можна розчинити цукор масою 150 г. Утворений розчин дуже концентрований, проте ненасичений, бо за цієї самої температури в ньому ще можна розчинити цукор масою 53 г. Розведений розчин може бути водночас насиченим: насичений розчин практично нерозчинного аргентум(І) хлориду є дуже розведеним. Ця закономірність характерна й для інших практично нерозчинних речовин.

Залежність розчинності речовин від температури виражають за допомогою кривих розчинності (Додаток 12). Їх будують за експериментально здобутими даними. Для побудови кривої розчинності відкладають на горизонтальній осі температуру, а на вертикальній - розчинність речовини за відповідної температури. За цими кривими можна, наприклад, визначити масову частку речовини в її насиченому розчині за певної температури або масу речовини, яка випаде в осад із насиченого розчину внаслідок його охолодження (цей тип задач не є обов’язковим для вивчення).

Визначимо, наприклад, масову частку натрій хлориду в його насиченому водному розчині за температури 100 °С. За графіком з’ясовуємо, що за цієї температури у воді масою 100 г розчиняється натрій хлорид масою 40 г. Обчислимо масу розчину. Вона дорівнює сумі мас розчинника (100 г) і розчинюваної речовини (40 г), тобто становить 140 г. Масова частка солі дорівнює частці від ділення маси солі на масу розчину:

w(NaCl) = 40 г : 140 г ≈ 0,3 (30 %)

Процес виділення твердої речовини з насиченого розчину внаслідок зниження температури називають кристалізацією. Якщо охолодити насичений розчин, частина розчиненої речовини кристалізується й випаде в осад. Розгляньмо приклад. У воді об’ємом 200 мл за температури 70 °С розчинили калій нітрат, утворився насичений розчин. Його охолодили до температури 20 °С. Обчислімо масу калій нітрату, який випаде в осад. Маса води дорівнює добутку її густини (1 г/см³) на об’єм (200 см³) і становить 200 г. За кривою розчинності (див. Додаток 12) визначаємо, що розчинність калій нітрату за 70 °С дорівнює 110 г, а за 20 °С - 30 г. Тож маса солі, яка викристалізується з розчину, для приготування якого взято розчинник масою 100 г, становить 80 г (110 г - 30 г). Із розчину, для приготування якого взято розчинник масою 200 г, випаде в осад удвічі більше калій нітрату - 160 г.

І кристалізація, і розчинення відіграють величезну роль у природі. Унаслідок їх перебігу утворюються й руйнуються деякі мінерали, відбуваються різноманітні фізико-хімічні процеси в гірських породах. Докладніше про розчинення як складний фізико-хімічний процес буде в наступному параграфі.

ПРО ГОЛОВНЕ

• Розчинність - максимальна маса речовини, яка може за певних умов (температури, тиску) розчинитися в розчиннику масою 100 г.

• Розчинність залежить від природи розчинюваної речовини та розчинника, температури й (для газуватих речовин) тиску.

• Розчин насичений, якщо в ньому за певної температури й тиску розчинювана речовина більше не розчиняється.

• Пересичені розчини зазвичай одержують під час повільного охолодження насичених розчинів.

• Концентровані розчини містять набагато більше розчинюваної речовини, ніж розчинника, а розбавлені - навпаки.

Перевірте себе

1. Що таке розчинність? 2. Від чого залежить розчинність речовини? 3. Який розчин називають насиченим? Ненасиченим? Пересиченим? 4. Які є способи перетворення насиченого розчину на ненасичений і навпаки? 5. Чи є пересичений розчин стійкою системою? 6. Чим відрізняються розведений і концентрований розчини? 7. Чи завжди розведений розчин є ненасиченим, а концентрований - насиченим? 8. Наведіть приклади насичених розведених розчинів.

Застосуйте свої знання й уміння

9. Поясніть, чому: а) у спекотну погоду риби потерпають від нестачі кисню у водоймах; б) мінеральну воду газують карбон(ІV) оксидом або киснем під тиском.

10. Поясніть, у якому розчині - насиченому чи ненасиченому - переважає процес розчинення, у якому - процес кристалізації.

*11. Аптечні концентрати - заздалегідь виготовлені розчини лікарських речовин більш високої концентрації, ніж концентрація, у якій ці речовини виписують у рецептах. Вони призначені для швидкого та якісного виготовлення рідких лікарських форм розбавлянням до потрібної концентрації. Пригадайте, від яких чинників залежить розчинність речовин, поміркуйте й завершіть речення: «Під час виготовлення концентрованих аптечних розчинів потрібно уникати концентрацій, близьких до насичених, тому що...». Обґрунтуйте свою думку.

*12. Проаналізуйте криву розчинності натрій нітрату (див. Додаток 12). Усно обчисліть масову частку натрій нітрату в його насиченому розчині за 35 °С.

*13. У воді об’ємом 500 мл за температури 100 °С розчинили калій дихромат K₂Cr₂O₇ утворився насичений розчин. Його охолодили до температури 40 °С. Обчисліть масу калій дихромату, який випаде в осад. Уважайте, що густина води становить 1 г/см³.

Творча майстерня

14. Явище кристалізації в різних солей відбувається по-різному. Один зі способів кристалізації - охолодження насиченого гарячого розчину. Налийте в склянку теплої води об’ємом не більше ніж столова ложка. Невеликими порціями, за постійного ретельного перемішування, насипайте у воду мінеральне добриво амоній хлорид NH₄Cl. Після одержання насиченого розчину пензликом нанесіть його на пластину скла або на люстерко¹ (обережно, не поріжтеся!). Почекайте, поки вся вода не випарується. Зафіксуйте послідовність ваших дій та одержаний результат за допомогою фото- чи відеотехніки. На що стала схожою скляна поверхня? За якою ознакою ви визначили, що утворився насичений розчин солі? За результатами дослідження підготуйте презентацію.

¹ Поверхню попередньо знежирте рідиною для видалення лаку з нігтів або борним спиртом.

Дізнайтеся більше

• https://www.youtube.com/watch?v=5d8JgnT1Wk4