Растворимость это какое свойство

Теперь, когда мы знаем, что такое раствор,
давайте подумаем
немного о том, что необходимо для того,
чтобы молекула была
растворенной в растворе
или в растворителе.
Скажем, я начну с
соли. И я сделаю некоторое
отступление, потому что в химии
вы будете слышать
слово «соль» постоянно.
Давайте я запишу его: соль.
В нашем повседневном языке
соль – это пищевая соль.
Она делает пищу соленой,
это хлорид натрия.
Это в самом деле соль и
с точки зрения телеканала о еде,
и с точки зрения
химии, хотя
в химии
не важно, как она
влияет на вкус вашей пищи.
С точки зрения химии
причина, почему она называется
солью, состоит в том, что это
нейтральное соединение,
которое состоит из ионов.
Итак, мы все знаем, что она
состоит из натрия и хлора.
Натрий стремится отдать
электрон со своей валентной оболочки.
Хлор стремится
получить его, так это и происходит.
Хлор становится отрицательным ионом,
а натрий – положительным,
и они притягиваются один к
другому, потому что
этот атом теперь положителен, а
этот – отрицателен, после того как
забрал электрон.
Представьте, что ваш дом очень маленький,
потому вам нужно отдать
свою собаку кому-то, у кого есть
место для собаки, но теперь
вам нужно регулярно проводить время
в доме этого человека,
потому что у него живет
собака, которую вы любите.
Я не знаю, было ли данное сравнение
подходящим.
Но я думаю, вы уловили смысл.
Соль – это просто любое вещество,
которое нейтрально.
Другой распространенный пример – хлорид
калия,
бромид кальция, можно
назвать множество других, но все это
соли.
Нас интересует, что
произойдет, когда вы
попытаетесь растворить
эти соли в воде.
Нам известно, что делает
вода, жидкая вода.
Давайте нарисую
жидкую воду.
Итак, это кислород и затем
два водорода,
которые как бы образуют выступы
на нем. Вот так.
Я нарисую пару молекул.
И затем, конечно, у вас
другой кислород здесь.
Возможно, водороды направлены вот так, потому что
водородные концы притянуты
водородными связями (мы
изучали это) к кислородным
концам, потому что у этого имеется слабый
отрицательный заряд, а у этого слабый
положительными заряд.
Это водородные
связи, и мы много
говорили о них раньше.
Возможно, у нас есть другой
кислород здесь, и у него
водороды здесь и здесь.
Водородные связи здесь.
Добавлю еще кислород здесь,
уже видна
структура, которая образуется…
Хотя то, что я рисую,
фактически больше похоже на…
Если бы это было твердое состояние,
то эти связи были бы
жесткими, и молекулы бы
просто колебались на месте.
В жидком состоянии они
все движутся.
Они трутся друг
о друга, но расстояние
между ними остается очень малым.
Вообще жидкое состояние для
воды является
наиболее компактным.
Итак, мы имеем дело
с таким состоянием… Эта молекула
движется сюда, может быть, эта молекула
движется сюда, эта молекула
движется сюда, эта туда. И вы
хотите растворить что-то
типа хлорида натрия.
Хлорид натрия на самом деле
достаточно большая молекула.
Если вы посмотрите на периодическую
таблицу элементов здесь вверху, кислород – это
элемент второго периода.
Водород очень мал.
Мы знаем, что когда он вступает в
водородную связь с кислородом,
он в действительности представляет собой протон, потому что
все электроны хотят быть
с кислородом, в то время как
натрий и хлор
значительно крупнее.
И я не буду переходить к точным
молекулярным размерам, но, возможно,
натрий… Давайте займемся натрием,
который крупнее.
Мы знаем, что размер атомов уменьшается,
когда вы идете к правому краю
периодической таблицы. Итак, натрий –
достаточно большой атом,
в то время как хлор
поменьше, но они оба
больше кислорода и намного
больше водорода.
Давайте нарисую.
Итак, натрий. Я сделаю натрий
положительно заряженным.
Он довольно большой.
Возможно, он выглядит вот так.
Это наш натрий.
Натрий положителен, и затем
идет хлор.
Хлор я изображу
сиреневым.
Они довольно большие.
Хлор будет
выглядеть вот так.
Что происходит, когда вы
помещаете эту соль в воду? Она
диссоциирует.
Хотя эти атомы
в твердом состоянии, они
связаны друг с другом,
когда вы помещаете их в воду,
положительные катионы
притягиваются к отрицательным
частичным зарядам со стороны кислорода
воды, а
отрицательные анионы притягиваются
к положительным сторонам
водорода.
Думаю, это понятно.
Но для того чтобы перевести,
например, этот ион натрия в
воду, он должен
встроиться туда.
Рассмотрим пример. Я рисовал это как
жидкое состояние, но если бы
это было твердое вещество, и у вас
была бы такая структура, это было бы
чрезвычайно трудно.
Фактически, было бы практически
невозможно втиснуть эти
огромные ионы натрия,
чтобы сделать его растворенным веществом,
скажем, во льду.
И даже в холодной воде эти
связи будут
довольно сильными, и молекулы
будут как бы
едва двигаться друг относительно друга,
потому что у них не так много
кинетической энергии.
Нам необходимо сделать следующее.
Чем теплее вода…
Конечно, можно использовать и холодную
воду, потому что, по крайней мере, у холодной
воды есть некоторая податливость, но
чем теплее, тем лучше, потому что
имеется кинетическая энергия, и
это дает пространство,
место, чтобы этот ион
натрия вошел внутрь,
как бы пробился в
конфигурацию, которая
достаточно стабильная.
И эта
конфигурация будет выглядеть
примерно вот так.
Натрий будет выглядеть так. Он
заряжен положительно.
Он будет притягиваться к
отрицательному концу молекулы
воды, то есть к кислороду.
Это выглядит вот так, а
водородные концы будут
направлены
в другую сторону.
Получается что-то вроде этого.
Водородные концы должны
быть на другой стороне.
Конечно, атом
хлора будет сильно
притягиваться к другой стороне, так
что атом хлора будет
вот здесь.
Вот здесь.
Сейчас подберу цвет.
Итак, атом хлора, возможно, захочет
находиться вот здесь.
Вот он, наш хлор.
Для того чтобы перевести много
хлорида натрия в ваш
водный образец, вы должны
нагреть
воду как можно сильнее.
Потому что тогда происходит следующее:
эти связи становятся не такими
крепкими, и эти
достаточно крупные атомы как бы
пробивают себе путь.
Итак, мы говорим о растворимости вещества
в воде… растворимости вещества в воде. В данном случае, если мы хотим растворить твердое вещество,
которым является хлорид натрия,
в жидком растворителе,
чем выше температура
жидкости,
тем больше твердого вещества
удастся перевести
в жидкость, другими словами, вы
повысите растворимость.
Итак, когда температура возрастает,
растворимость тоже растет.
Например, возьмите
пищевую соль и
поэкспериментируйте с ней.
Это не опасно
и не слишком затратно, потому что
соль довольно дешевая.
Постепенно добавляйте ее
в стакан, и в какой-то
момент она растворится.
Вы можете ее немного встряхнуть,
чтоб наверняка.
Вы можете поразмышлять о том, что
происходит на молекулярном
уровне, когда вы встряхиваете ее, и почему
встряхивание или размешивание
действительно помогает.
Но в какой-то момент это
закончится. Если это
ваш стакан воды, и соль
будет туда засыпаться,
в какой-то момент, у вас появятся
кристаллы соли на дне
стакана.
В этот момент ваша вода
насыщена солью при
температуре, при которой вы пытаетесь
проводить опыт.
Если вы начинаете замечать
это, то
поместите стакан в микроволновку или
нагрейте как-то по-другому,
вы увидели, что даже эти кристаллы
смогут раствориться в
воде, потому что дополнительная кинетическая энергия, придаваемая
температурой облегчает
этим молекулам
возможность выбиться из
конфигурации достаточно надолго,
чтобы они
пробились внутрь.
Небольшое попутное замечание.
Когда вы берете эти соли,
представляющие собой ионные соединения,
которые нейтральны (они состоят
из ионов, но ионы нейтрализуют
друг друга),
и помещаете их в воду…
Эти соединения сами по себе
обычно не… Когда они
в твердом состоянии, они обычно
не проводят электричество.
Даже хотя они заряжены,
они так близко соединены
друг с другом, что
недостаточно места
для движения заряда.
Но как только вы разбиваете их
в воде или растворяете их в
воде,
у вас появляются плавающие
заряды в воде, и это
делает ее проводником электричества, так что
она становится достаточно хорошим
проводником.
Первое простое правило:
если вы имеете дело с
твердым веществом в жидком растворителе,
понижение температуры
снизит растворимость, потому что
молекулам труднее
проникнуть вот сюда, а
повышение температуры
повысит растворимость.
А как насчет газа?
Допустим, вы хотите сделать газировки и вам
нужно растворить некоторое количество
диоксида углерода опять же в воде.
Применим здесь такой же подход,
как с солями,
которые являются ионными
соединениями.
У них имеется естественное притяжение
к различным
полярным концам
молекулы воды.
Но газы, по большей части,
не обладают
сильными силами притяжения.
Вот почему они являются газами,
особенно при комнатной
температуре.
Они любят свободу.
В газе, молекулы обладают большой
кинетической энергией, но что
важнее, связи между
ними, например, в идеальных
газах, о которых мы говорили,
просто образованы их лондоновскими
дисперсионными силами.
У них очень слабые связи, и
поэтому, скажем, при тех же самых
температуре и давлении, при которых
вода будет жидкостью, многие
из этих газов будут в газообразном состоянии.
Молекулы отскакивают друг от друга,
потому что они не хотят
касаться друг друга.
Итак, когда вы поместите CO2 в
жидкость, по крайней мере, я так
понимаю… Давайте скажем, что
это группа молекул
воды здесь.
Если бы вам надо было растворить,
скажем, диоксид углерода…
Не обращайте внимание
на эту картинку вот здесь.
Если бы вам надо было растворить диоксид
углерода в воде… Итак, если бы вам
надо было растворить его в воде…
Итак, вот это
молекулы диоксида углерода.
Я нарисую целую
молекулу просто в виде кружка.
Что эти молекулы
стремятся делать?
Их естественное состояние – газ, и
пусть газ находится
при стандартном давлении, так что он
стремится вырваться из
воды, но не может
так просто это сделать, потому что
вокруг него
молекулы воды, верно?
Эта молекула вот здесь, возможно,
хотела бы вырваться, но она
окружена молекулами воды.
Поэтому она никуда не может деться.
Что бы могло помочь
ей вырваться?
Если вы повышаете среднюю
кинетическую энергию системы,
если вы заставляете все
эти молекулы двигаться
быстрее, и особенно если
молекулы диоксида углерода
сами обладали бы большей кинетической
энергией, то, возможно,
они могли бы вырваться.
Из вашего личного опыта
с бутылками Кока-Колы вы знаете,
что можете также потрясти систему,
потому что если вы потрясете
систему, все вокруг
начинает двигаться, и
эти молекулы могут вырваться.
Итак, когда вы растворяете
газ в жидком
растворителе, когда растворяемое вещество –
газ, на него повышение температуры
производит противоположный
эффект.
Когда температура повышается,
растворимость снижается, потому что
эти молекулы стремятся вырваться.
Они стремятся быть свободными.
Они стремятся быть вдали от других
молекул и хотят
скакать в открытом… мне
не следует говорить «воздухе»…
в открытом пространстве.
Итак, в результате любого воздействия,
которое «раскачивает» систему,
они будут выходить.
И наоборот, если температура
снижается, растворимость повышается.
Другой фактор, и он не является
значительным, если
речь идет о твердом состоянии, но
если о жидком
растворенном веществе… Давайте я
снова нарисую картинку.
Итак, эти молекулы диоксида
углерода, и
молекулы
воды (они все должны быть
одинакового размера),
которая является растворителем.
Я думаю, вы уловили мысль.
Давление также является важным фактором.
Я уже говорил, что у этих молекул
естественное состояние –
летать свободно.
Они стремятся вырваться.
Они стремятся как-нибудь выпрыгнуть
из воды.
Если у вас действительно высокое
давление здесь, просто
в атмосфере здесь сверху
огромное количество молекул, ударяющих
с большой силой по поверхности
нашего раствора… Итак,
если имеется огромное количество молекул, ударяющих с действительно большой силой
по поверхности, то будет
труднее
вырваться вверх.
Вот почему, когда у вас
давление растет, или, по крайней мере,
я так понимаю, что когда
давление растет, растворимость
газа также увеличивается.
Это для газа.
Просто полезно
запомнить, что когда речь
идет о растворимости, твердые вещества
ведут себя противоположно газу.
Температура хороша для растворимости
твердого вещества, верно?
Мы говорили об этом, когда помещали соль и
сахар в воду, в этом случае полезно
повысить температуру.
Вы сможете растворить
больше.
С другой стороны, с
газом все наоборот.
Нужны более низкие температуры,
чтобы поместить больше газа в
раствор, или нужно более высокое
давление, по крайней мере,
такова моя логика, чтобы препятствовать
молекулам газа вырваться с поверхности.
Ну что ж, надеюсь, это
было полезным.

Растворимость (Р, χ или ks) – это характеристика насыщенного раствора, которая показывает, какая масса растворенного вещества может максимально раствориться в 100 г растворителя. Размерность растворимости — г/ 100 г воды. Поскольку мы определяем массу соли,  которая приходится на 100 г воды, в формулу растворимости добавляем множитель 100:

здесь mр.в. – масса растворенного вещества, г

           mр-ля – масса растворителя, г

Иногда используют обозначение коэффициент растворимости kS.

Задачи на растворимость, как правило, вызывают сложности, так как эта физическая величина для школьников не очень привычна. 

Растворимость веществ в различных растворителях меняется в широких пределах.

В таблице приведена растворимость некоторых веществ в воде при 20oС:

От чего же зависит растворимость веществ? От ряда факторов: от природы растворенного вещества и растворителя, от температуры и давления. В справочных таблицах предлагается вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. Такое деление очень условное, поскольку абсолютно нерастворимых веществ нет. Даже серебро и золото растворимы в воде, однако их растворимость настолько мала, что можно пренебречь ей. 

Зависимость растворимости от природы растворенного вещества и растворителя*

Растворимость твердых веществ в жидкостях зависит от структуры твердого вещества (от типа кристаллической решетки твердого вещества). Например, вещества с металлическими кристаллическими решетками (железо, медь и др.) очень мало растворимы в воде. Вещества с ионной кристаллической решеткой, как правило, хорошо растворимы в воде.

Есть замечательное правило: “подобное хорошо растворяется в подобном”. Вещества с ионным или полярным типом связи хорошо растворяются в полярных растворителях. Например, соли хорошо растворимы в воде. В то же время неполярные вещества, как правило, хорошо растворяются в неполярных растворителях.

Большинство солей щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Хорошо растворимы почти все нитраты, нитриты и многие галогениды (кроме галогенидов серебра, ртути, свинца и таллия) и сульфаты (кроме сульфатов щелочноземельных металлов, серебра и свинца). Для переходных металлов характерна небольшая растворимость их сульфидов, фосфатов, карбонатов и некоторых других солей.

Растворимость газов в жидкостях также зависит от их природы. Например, в 100 объемах воды при 20oС растворяется 2 объема водорода, 3 объема кислорода. В тех же условиях в 1 объеме Н2О растворяется 700 объемов аммиака. 

Влияние температуры на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*

Растворение газов в воде вследствие гидратации молекул растворяемого газа сопровождается выделением теплоты. Поэтому при повышении температуры растворимость газов понижается.

Температура различным образом влияет на растворимость твердых веществ в воде. В большинстве случаев растворимость твердых веществ возрастает с повышением температуры. Например, растворимость нитрата натрия NaNO3 и нитрата калия КNO3 при нагревании увеличивается (процесс растворения протекает с поглощением теплоты). Растворимость NaCl при увеличении температуры возрастает незначительно, что связано с почти нулевым тепловым эффектом растворения поваренной соли. 

Влияние давления на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*

На растворимость твердых и жидких веществ в жидкостях давление практически не оказывает влияния, так как изменение объема при растворении невелико. При растворении газообразных веществ в жидкости происходит уменьшение объема системы, поэтому повышение давления приводит к увеличению растворимости газов. В общем виде зависимость растворимости газов от давления подчиняется закону У. Генри (Англия, 1803 г.): растворимость газа при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.

Закон Генри справедлив лишь при небольших давлениях для газов, растворимость которых сравнительно невелика и при условии отсутствия химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.

Влияние посторонних веществ на растворимость*

В присутствии в воде других веществ (солей, кислот и щелочей) растворимость газов уменьшается. Растворимость газообразного хлора в насыщенном водном растворе поваренной соли в 10 раз меньше. Чем в чистой воде.

Эффект понижения растворимости в присутствии солей называется высаливанием. Понижение растворимости обусловлено гидратацией солей, что вызывает уменьшение числа свободных молекул воды. Молекулы воды, связанные с ионами электролита, уже не являются растворителем для других веществ.

Примеры задач на растворимость

Задача 1. Массовая доля вещества в насыщенном растворе равна 24% при некоторой температуре. Определите коэффициент растворимости этого вещества при данной температуре.

Решение:

Для определения растворимости вещества примем массу раствора равной 100 г. Тогда масса соли равна:

mр.в. = mр-ра⋅ωр.в. = 100⋅0,24 = 24 г

Масса воды равна: 

mводы = mр-ра – mр.в. = 100 — 24 = 76 г

Определяем растворимость:

χ = mр.в./mр-ля⋅100 = 24/76⋅100 = 31,6 г вещества на 100 г воды.

Ответ: χ = 31,6 г

Еще несколько аналогичных задач:

2. Массовая доля соли в насыщенном растворе при некоторой температуре равна 28,5%. Определите коэффициент растворимости вещества при этой температуре.

3.  Определите коэффициент растворимости нитрата калия при некоторой температуре, если массовая доля соли при этой температуре равна 0,48.

4. Какая масса воды и соли потребуется для приготовления 500г насыщенного при некоторой температуре раствора нитрата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 63,9г соли в 100г воды?

Ответ: 194,95 г

5. Коэффициент растворимости хлорида натрия при некоторой температуре составляет 36г соли в 100г воды. Определите молярную концентрацию насыщенного раствора этой соли, если плотность раствора 1,2 г/мл.

Ответ: 5,49М

6. Какая масса соли и 5% раствора её потребуется для приготовления 450г насыщенного при некоторой температуре раствора сульфата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 439г/1000г воды?

7. Какая масса нитрата бария выделится из раствора, насыщенного при 100ºС и охлаждённого до 0ºС, если во взятом растворе было 150мл воды? Коэффициент растворимости нитрата бария при температурах 0ºС и 100ºС равен соответственно 50г и 342г в 100г воды.

8. Коэффициент растворимости хлорида калия при 90ºС равен 500г/л воды. Сколько граммов этого вещества можно растворить в 500г воды при 90ºС и какова его массовая доля в насыщенном растворе при этой температуре?

9. В 500г воды растворено при нагревании 300г хлорида аммония. Какая масса хлорида аммония выделится из раствора при его охлаждении до 50ºС, если коэффициент растворимости соли при этой температуре равен 50г/л воды?

* Материалы портала onx.distant.ru