ХИМИЯ. РАСТВОРЫ И РАСТВОРИМОСТЬ
Благодаря неравномерному распределению электрического заряда в молекулах, т.е. наличию у них отрицательных и положительных "полюсов" (если говорить более строго — дипольного момента), даже нейтральные в целом молекулы притягиваются друг к другу. Сила этого притяжения зависит от степени локализации заряда и определяет способность жидкостей растворять различные вещества. Как правило, полярные молекулы достаточно сильно притягиваются друг к другу; именно поэтому спирт и вода легко смешиваются. Взаимное притяжение неполярных молекул гораздо слабее. Примерами неполярных соединений служат тетрахлорид углерода CCl4 и углеводороды, например бензол.
Растворимость. Растворение начинается с того, что молекулы растворителя "прокладывают себе путь" между молекулами растворяемого вещества. Это может происходить только в том случае, если силы притяжения между молекулами растворителя, с одной стороны, и растворителя и растворяемого вещества — с другой, примерно одинаковы. Отсюда следует правило растворимости: подобное растворяется в подобном (имеется в виду "подобное" по полярности). Вода и бензин не смешиваются, поскольку полярные молекулы воды сильно притягиваются друг к другу и молекулы углеводорода не могут проникнуть между ними. В то же время бензин легко смешивается с тетрахлоридом углерода, причем и тот, и другой служат хорошими растворителями для многих нерастворимых в воде неполярных веществ, таких, как жиры или парафины. Вода, в свою очередь, растворяет большинство ионных веществ, например поваренную соль или питьевую соду (гидрокарбонат натрия NaHCO3), а также полярные неионные соединения, такие, как спирт, сахар (молекула которого содержит множество ОН-групп), крахмал и витамин С. Ни одно из этих веществ не растворяется ни в бензине, ни в других углеводородах. При растворении ионных соединений в воде или других полярных растворителях ионы "вытягиваются" из кристаллической решетки силами притяжения молекул растворителя:
при этом они сольватируются, т.е. более или менее прочно связываются с молекулами растворителя (в уравнении это не отражено), так что, например, ионы натрия находятся в виде Na+(H2O)x. Хорошо растворимый в воде газ хлороводород тоже диссоциирует на ионы водорода и хлорид-ионы:
Молекулы воды притягивают ионы водорода, и образуются ионы гидроксония Н3О+. Менее полярные соединения (спирты или сахара и т.п.) в воде почти не диссоциируют. Иногда вещество начинает растворяться в результате химической реакции, которая изменяет его свойства. Так, мрамор (или известняк СаСО3) в чистой воде практически нерастворим, но растворяется в воде подкисленной:
Молекулы некоторых твердых веществ настолько прочно связаны друг с другом, что эти вещества не растворяются ни в одном растворителе, за исключением тех, с которыми взаимодействуют химически. В качестве примеров можно привести алмаз, графит, стекло и песок.
Влияние температуры и давления. Растворимость жидкостей и твердых веществ обычно увеличивается при повышении температуры, поскольку при этом возрастает энергия движения (кинетическая энергия) молекул и уменьшается их взаимное притяжение. Изменение давления мало влияет на растворимость, так как объем при растворении меняется незначительно. Гораздо больше давление влияет на растворимость газов. Газ лучше растворяется при увеличении давления, под действием которого часть его молекул переходит в раствор. При повышении температуры растворимость газов снижается — кинетическая энергия молекул возрастает, они быстрее движутся и легче "вырываются" из растворителя.
См. также РАСТВОРЫ.
Электролиты. Некоторые растворы, как и металлы, проводят электрический ток. В этом случае носителями заряда служат ионы. Вещества, раствор которых проводит электрический ток, носят общее название электролитов, не проводящие — неэлектролитов.
См. также ЭЛЕКТРОЛИТЫ. Концентрация — это количество растворенного вещества, содержащееся в единице массы или объема раствора. Ее можно выразить в таких единицах, как, например, г/л (число граммов вещества в литре раствора). Иногда концентрацию измеряют в процентах. При этом необходимо указывать, какие проценты имеются в виду: весовые или объемные. Например, 10%-ный раствор спирта в воде — это раствор, содержащий 10 объемов спирта и 90 объемов воды (объемные проценты), а 10%-ный раствор хлорида натрия в воде — раствор, в котором на 10 массовых единиц вещества приходится 90 массовых единиц воды (массовые проценты). Когда количество растворенного вещества очень мало, используют единицу "миллионная доля" — одна часть растворенного вещества на миллион частей раствора (в англоязычной литературе ее обозначают ppm, в русской — м.д. или млн-1). Для описания химических реакций удобнее выражать концентрацию в виде числа молекул или ионов растворенного вещества на единицу объема раствора.
Моль. Моль — одна из семи основных единиц Международной системы единиц (СИ). Ее определяют как количество вещества, которое содержит столько же атомов, молекул или ионов, сколько 12 г изотопа углерода 12С (см. выше), а именно 6,022*10 23 (число Авогадро). Понятие моля позволяет подсчитать, сколько частиц (атомов или молекул) вещества содержится в том или ином его массовом количестве. Например, из определения моля следует, что 6 г изотопа углерода 12С должны содержать 3,011*10 23 атомов. Кроме того, из определения атомной массы известно, что количество граммов любого элемента, численно равное его атомной массе, содержит число Авогадро атомов этого элемента. Таким образом, 4,0026 г гелия, 32,06 г серы и 200,59 г ртути содержат одинаковое число атомов соответствующего элемента, а именно 6,022*1023. Аналогично, для веществ, состоящих из молекул, моль вещества — это такое его количество, масса которого в граммах численно равна молекулярной массе вещества. Таким образом, моль хлора Cl2 имеет массу 35,453*2 = 70,906 г, моль хлорида натрия NaCl — (22,9898 + 35,453) = 58,443 г, а моль ионов натрия Na+ — 22,9898 г.
Молярность. Молярность — это концентрация вещества в растворе, выраженная в молях растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора. Так, децимолярный (сокращенно 0,1 М) раствор хлорида натрия содержит 0,1 моль (или 5,8443 г) NaCl в 1 л раствора.
Моляльность. Моляльность — это число молей растворенного вещества в 1000 г растворителя. Так, 0,1-моляльный раствор хлорида натрия в воде содержит 0,1 моль (или 5,8443 г) NaCl в 1000 г Н2О. Эта единица используется реже, чем молярность.
Нормальность. Нормальность — это число эквивалентов вещества, содержащихся в 1 л раствора. Для систем, в которые входят кислоты, основания и соли, эквивалент — это количество вещества, которое расходуется при взаимодействии с 1 моль ионов водорода Н+. Например, при образовании моля сульфата натрия Na2SO4 (1 моль = 142,0412 г) 1 моль серной кислоты теряет 2 моля Н+. Таким образом, 1 моль сульфата натрия содержит 2 эквивалента, и нормальность одномолярного раствора сульфата натрия равна двум (2 н.).
См. также ЭКВИВАЛЕНТНАЯ МАССА.
