Растворимость - это что такое? Растворимость в воде
Растворимость - это что такое?
Химия - интересная и достаточно сложная наука. Её термины и понятия попадаются нам в повседневной жизни, и не всегда интуитивно понятно, что они означают и каков их смысл. Одним из таких понятий является растворимость. Этот термин широко используется в теории растворов, и в повседневной жизни мы сталкиваемся с его применением потому, что окружены этими самыми растворами. Но важно не столько само употребление этого понятия, сколько те физические явления, что оно обозначает. Но прежде чем перейти к основной части нашего повествования, перенесёмся в девятнадцатый век, когда Сванте Аррениус и Вильгельм Оствальд сформулировали теорию электролитической диссоциации.
История
Начинается исследование растворов и растворимости с физической теории диссоциации. Она самая простая для понимания, однако слишком примитивная и только в части моментов совпадает с реальностью. Суть этой теории в том, что растворённое вещество, попадая в раствор, распадается на заряженные частицы, называемые ионами. Именно эти частицы и обуславливают химические свойства раствора и некоторые его физические характеристики, в том числе проводимость и температуру кипения, плавления и кристаллизации.
Однако есть более сложные теории, которые рассматривают раствор как систему, частицы в которой взаимодействуют между собой и образуют так называемые сольваты - ионы, окружённые диполями. Диполь - это, в целом, нейтральная молекула, полюса которой разноимённо заряжены. Диполем является чаще всего молекула растворителя. Попадая в раствор, растворённое вещество распадается на ионы, а диполи притягиваются к одним ионам разноимённо заряженным по отношению к ним концом, а к другим ионам - соответственно другим разноимённо заряженным по отношению к ним концом. Таким образом и получаются сольваты - молекулы с оболочкой из других нейтральных молекул.
Теперь поговорим немного о сути самих теорий и посмотрим на них внимательнее.
Теории растворов
Образованием таких частиц можно объяснить множество явлений, которые не поддаются описанию с помощью классической теории растворов. Например, тепловой эффект реакции растворения. С позиций теории Аррениуса, сложно сказать, почему при растворении одного вещества в другом теплота может поглощаться и выделяться. Да, происходит разрушение кристаллической решётки, и поэтому энергия либо затрачивается и раствор охлаждается, либо выделяется при распаде из-за избыточности энергии химических связей. Но объяснить это с позиций классической теории оказывается невозможным, так как остаётся непонятным сам механизм разрушения. А если применить химическую теорию растворов, становится понятно, что молекулы растворителя, вклиниваясь в пустоты решётки, разрушают её изнутри, как бы "ограждая" ионы друг от друга сольватной оболочкой.
В следующем разделе мы рассмотрим, что такое растворимость и всё, что связано с этой, казалось бы, простой и интуитивно понятной величиной.
Понятие растворимости
Чисто интуитивно понятно, что растворимость показывает, как хорошо то или иное вещество растворяется в данном конкретном растворителе. Однако о природе растворения веществ нам известно обычно очень мало. Почему, например, мел не растворяется в воде, а поваренная соль - наоборот? Всё дело тут в прочности связей внутри молекулы. Если связи прочные, то из-за этого эти частицы не могут диссоциировать на ионы, тем самым разрушив кристалл. Поэтому он и остаётся нерастворимым.
Растворимость - это количественная характеристика, показывающая, какая доля растворённого вещества находится в виде сольватированных частиц. Её величина зависит от природы растворённого вещества и растворителя. Растворимость в воде для разных веществ разная, в зависимости от связей между атомами в молекуле. Вещества с ковалентными связями имеют самую низкую растворимость, тогда как с ионными - самую высокую.
Но не всегда удаётся понять, какая величина растворимости большая, а какая маленькая. Поэтому в следующем разделе обсудим, чему равна растворимость различных веществ в воде.
Сравнение
В природе существует очень много жидких растворителей. Ещё больше существует альтернативных веществ, которые могут служить последними при достижении определённых условий, например определённого агрегатного состояния. Становится ясно, что если собирать данные о растворимости друг в друге каждой пары "растворённое вещество - растворитель", не хватит и целой вечности, потому что комбинаций получается огромное число. Поэтому так повелось, что на нашей планете универсальным растворителем и эталоном является вода. Сделали это потому, что она наиболее распространена на Земле.
Таким образом, была составлена таблица растворимости в воде для многих сотен и тысяч веществ. Все мы видели её, но в более коротком и понятном варианте. В клетках таблицы вписаны буквы, обозначающие растворимо вещество, нерастворимое или малорастворимое. Но есть более узкоспециализированные таблицы для тех, кто серьёзно разбирается в химии. Там указано точное численное значение растворимости в граммах на литр раствора.
Теперь обратимся к теории такого понятия, как растворимость.
Химия растворимости
Как происходит сам процесс растворения, мы уже разобрали в предыдущих разделах. Но вот как, например, записать это всё в виде реакции? Тут всё не так просто. Скажем, при растворении кислоты происходит реакция взаимодействия иона водорода с водой с образованием иона гидроксония h4O+. Таким образом, для HCl уравнение реакции будет выглядеть так:
HCl + h3O= h4O+ + Cl-
Растворимость солей, зависящая от их структуры, также определяется своей химической реакцией. Вид последней зависит от структуры соли и связей внутри её молекул.
Мы разобрались с тем, как записать графически растворимость солей в воде. Теперь пришла пора практического применения.
Применение
Если перечислять те случаи, когда эта величина необходима, не хватит и века. Косвенно с помощью неё можно вычислять другие величины, которые оказываются очень важными для исследования любого раствора. Без неё мы не смогли бы узнать точную концентрацию вещества, его активность, не смогли бы оценить, вылечит ли лекарство человека или убьёт (ведь в больших количествах даже вода опасна для жизни).
Кроме химической промышленности и научных целей, понимание сути растворимости необходимо ещё и в быту. Ведь иногда требуется приготовить, скажем, пересыщенный раствор какого-либо вещества. Например, это нужно для получения кристаллов соли для домашнего задания ребёнка. Зная растворимость соли в воде, мы с лёгкостью можем определить, сколько требуется её засыпать в сосуд, чтобы она начала выпадать в осадок и образовывать кристаллы от переизбытка.
Прежде чем завершить наш краткий экскурс в химию, поговорим о нескольких смежных с растворимостью понятиях.
Что ещё интересного?
На наш взгляд, если вы дошли до этого раздела, то наверняка уже поняли, что растворимость - это не просто странная химическая величина. Она является основой для других величин. И среди них: концентрация, активность, константа диссоциации, pH. И это далеко не полный список. Вы наверняка слышали хоть одно из этих слов. Без этих знаний о природе растворов, изучение которых началось с растворимости, мы уже не можем представить современную химию и физику. При чём тут физика? Иногда физики тоже имеют дело с растворами, измеряют их проводимость, используют и другие их свойства для своих нужд.
Заключение
В этой статье мы познакомились с таким химическим понятием, как растворимость. Это, наверное, была довольно полезная информация, так как большинство из нас вряд ли представляют себе глубинную суть теории растворов, не имея желания погрузиться подробно в её изучение. В любом случае очень полезно тренировать свой мозг, познавая что-то новое. Ведь всю жизнь человек должен "учиться, учиться и ещё раз учиться".
fb.ru
Растворимость различных веществ в воде
Способность данного вещества растворяться в данном растворителе называется растворимостью.
С количественной стороны растворимость твердого вещества характеризует коэффициент растворимости или просто растворимость - это максимальное количество вещества, которое способно раствориться в 100 г или 1000 г воды при данных условиях с образованием насыщенного раствора.
Так как большинство твердых веществ при растворении в воде поглощают энергию, то в соответствии с принципом Ле-Шателье, растворимость многих твердых веществ увеличивается с повышением температуры.
Растворимость газов в жидкости характеризует коэффициент абсорбции - максимальный объем газа, который может раствориться при н.у. в одном объеме растворителя. При растворении газов выделяется тепло, поэтому с повышением температуры растворимость их понижается (например, растворимость Nh4 при 0°С равна 1100 дм3/1 дм3 воды, а при 25°С - 700 дм3/1 дм3 воды). Зависимость растворимости газов от давления подчиняется закону Генри: масса растворенного газа при неизменной температуре прямо пропорциональна давлению.
Выражение количественного состава растворов
Наряду с температурой и давлением основным параметром состояния раствора является концентрация в нем растворенного вещества.
Концентрацией раствора называется содержание растворенного вещества в определенной массе или в определенном объеме раствора или растворителя. Концентрацию раствора можно выражать по-разному. В химической практике наиболее употребительны следующие способы выражения концентраций:
а) массовая доля растворенного вещества показывает число граммов (единиц массы) растворенного вещества, содержащееся в 100 г (единиц массы) раствора (ω, %)
ω (%) = 
б) мольно-объемная концентрация, или молярность, показывает число молей (количество) растворенного вещества, содержащихся в 1 дм3 раствора (с или М, моль/дм3)
в) эквивалентная концентрация, или нормальность, показывает число эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 дм3 раствора (сэ или н, моль/дм3)
г) мольно-массовая концентрация, или моляльность, показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1000 г растворителя (сm, моль / 1000 г)
;
д) титром раствора называется число граммов растворенного вещества в 1 см3 раствора (Т, г/см3)
T = mр.в./V.
Кроме того состав раствора выражается через безразмерные относительные величины -доли. Объемная доля - отношение объема растворенного вещества к объему раствора; массовая доля - отношение массы растворенного вещества к объему раствора; мольная доля отношение количества растворенного вещества (число молей) к суммарному количеству всех компонентов раствора. Наиболее употребительной величиной является мольная доля (N) – отношение количества растворенного вещества (ν1) к суммарному количеству всех компонентов раствора, то есть ν1 + ν2 (где ν2 –количество растворителя)
Nр.в. = ν1/( ν1 + ν2) = mр.в./Мр.в./( mр.в./Мр.в + mр-ля./Мр-ля).
Разбавленные растворы неэлектролитов и их свойства
При образовании растворов характер взаимодействия компонентов определяется их химической природой, что затрудняет выявление общих закономерностей. Поэтому удобно прибегнуть к некоторой идеализированной модели раствора, так называемому идеальному раствору. Раствор, образование которого не связано с изменением объема и тепловым эффектом, называют идеальным раствором. Однако, большинство растворов не обладает в полной мере свойствами идеальности и общие закономерности могут быть описаны на примерах так называемых разбавленных растворов, то есть растворов, в которых содержание растворенного вещества очень мало по сравнению с содержанием растворителя и взаимодействием молекул растворенного вещества с растворителем можно пренебречь. Растворы обладают коллигативными свойствами — это свойства растворов, зависящие от числа частиц растворенного вещества. К коллигативным свойствам растворов относят:
осмотическое давление;
давление насыщенного пара. Закон Рауля;
повышение температуры кипения;
понижениетемпературы замерзания.
Осмос. Осмотическое давление.
Пусть имеется сосуд, разделенный полупроницаемой перегородкой (пунктир на рисунке) на две части, заполненные до одинакового уровня О-О. В левой части помещается растворитель, в правой - раствор
0
I
IIII
0I
растворитель раствор
К понятию явления осмоса
Вследствие различия концентраций растворителя по обе стороны перегородки растворитель самопроизвольно (в соответствии с принципом Ле-Шателье) проникает через полупроницаемую перегородку в раствор, разбавляя его. Движущей силой преимущественной диффузии растворителя в раствор является разность свободных энергий чистого растворителя и растворителя в растворе. При разбавлении раствора за счет самопроизвольной диффузии растворителя объем раствора увеличивается и уровень перемещается из положения О в положение II. Односторонняя диффузия определенного сорта частиц в растворе через полупроницаемую перегородку называется осмосом.
Количественно охарактеризовать осмотические свойства раствора (по отношению к чистому растворителю) можно, введя понятие об осмотическом давлении. Последнее представляет собой меру стремления растворителя к переходу сквозь полупроницаемую перегородку в данный раствор. Оно равно тому дополнительному давлению, которое необходимо приложить к раствору, чтобы осмос прекратился (действие давления сводится к увеличению выхода молекул растворителя из раствора).
Растворы, характеризующиеся одинаковым осмотическим давлением, называются изотоническими. В биологии растворы с осмотическим давлением, большим, чем у внутриклеточного содержимого, называются гипертоническими, с меньшим – гипотоническими. Один и тот же раствор для одного типа клеток гипертонический, для другого – изотонический, для третьего – гипотонический.
Свойствами полупроницаемости обладает большинство тканей организмов. Поэтому осмотические явления имеют громадное значение для жизнедеятельности животных и растительных организмов. Процессы усвоения пищи, обмена веществ и т.д. тесно связаны с различной проницаемостью тканей для воды и тех или иных растворенных веществ. Явления осмоса объясняют некоторые вопросы, связанные с отношением организма к среде. Например, ими обусловлено то, что пресноводные рыбы не могут жить в морской воде, а морские в речной.
Вант-Гофф показал, что осмотическое давление в растворе неэлектролита пропорционально молярной концентрации растворенного вещества
Росм= сRТ,
где Росм - осмотическое давление, кПа; с - молярная концентрация, моль/дм3; R - газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль∙К; Т - температура, К.
Это выражение по форме аналогично уравнению Менделеева-Клапейрона для идеальных газов, однако эти уравнения описывают разные процессы. Осмотическое давление возникает в растворе при проникновении в него дополнительного количества растворителя через полупроницаемую перегородку. Это давление - сила, препятствующая дальнейшему выравниванию концентраций.
Вант-Гофф сформулировал закон осмотического давления: осмотическое давление равно тому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно в виде идеального газа занимало тот же объем, который занимает раствор, при той же температуре.
Давление насыщенного пара. Закон Рауля.
Рассмотрим разбавленный раствор нелетучего (твердого) вещества А в летучем жидком растворителе В. При этом общее давление насыщенного пара над раствором определяется парциальным давлением пара растворителя, поскольку давлением пара растворенного вещества можно пренебречь.
Рауль показал, что давление насыщенного пара растворителя над раствором Р меньше, чем над чистым растворителем Р°. Разность Р° - Р = Р называется абсолютным понижением давления пара над раствором. Эта величина, отнесенная к давлению пара чистого растворителя, то есть (Р°-Р)/Р° =Р/Р°, называется относительным понижением давления пара.
Согласно закону Рауля, относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно молярной доле растворенного нелетучего вещества
(Р°-Р)/Р° = N = ν1/( ν1 + ν2) = mр.в./Мр.в./( mр.в./Мр.в + mр-ля./Мр-ля) = XA
где XA - мольная доля растворенного вещества. А так как ν1= mр.в./Мр.в, то используя этот закон можно определить мольную массу растворенного вещества.
Следствие закона Рауля. Понижение давления пара над раствором нелетучего вещества, например в воде, можно пояснить с привлечением принципа смещения равновесия Ле-Шателье. Действительно, при увеличении концентрации нелетучего компонента в растворе равновесие в системе вода - насыщенный пар сдвигается в сторону конденсации части пара (реакция системы на уменьшение концентрации воды при растворении вещества), что и вызывает уменьшение давления пара.
Понижение давления пара над раствором по сравнению с чистым растворителем вызывает повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания растворов по сравнению с чистым растворителем (t). Эти величины пропорциональны моляльной концентрации растворенного вещества - неэлектролита, то есть:
t = К∙ст = К∙т∙1000/М∙а,
где сm- моляльная концентрация раствора; а - масса растворителя. Коэффициент пропорциональности К, в случае повышения температуры кипения, называется эбуллиоскопической константой для данного растворителя (Е), а для понижения температуры замерзания - криоскопической константой (К). Эти константы, численно различные для одного и того же растворителя, характеризуют повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания одномоляльного раствора, т.е. при растворении 1 моль нелетучего неэлектролита в 1000 г растворителя. Поэтому их часто называют моляльным повышением температуры кипения и моляльным понижением температуры замерзания раствора.
Крископическая и эбуллиоскопическая постоянные не зависят от концентрации и природы растворенного вещества, а зависят лишь от природы растворителя и характеризуются размерностью кг∙град/моль.
studfiles.net
Процесс растворения в воде твердых веществ
Познакомимся сначала с процессом растворения в воде твердых веществ, для чего обратимся опять к нашему стакану воды и посмотрим, что будет происходить, если мы всыплем в него ложку поваренной соли.
Находящиеся в непрерывном движении молекулы воды при столкновении с кристалликами соли будут как бы срывать с их поверхности отдельные молекулы соли, которые, попав в воду, начнут беспорядочное движение, подобно молекулам воды.
При этом, однако, они будут стремиться распределиться равномерно во всем объеме воды. Это свойство веществ называется диффузией, и, поскольку оно тесно связано с процессом растворения, необходимо остановиться на нем несколько подробнее.
Диффузией называют свойство вещества распространяться в какой-либо среде, т. е. стремление его проникнуть оттуда, где оно есть, туда, где его нет, причем этот процесс происходит исключительно за счет теплового беспорядочного движения молекул среды.
Представим себе, что непосредственно около дна стакана образовался некий слой воды, содержащий молекулы хлористого натрия.
Обозначим их условно точками, как это изображено на рис. 9, при этом этих молекул будет, естественно, особенно много непосредственно около поверхности кристаллов соли, далее, по мере удаления вверх, их число должно быть меньше.
Как же себя будут вести эти молекулы соли? Ведь, как мы уже знаем, их движение, обусловленное беспорядочным движением молекул воды, будет таким же беспорядочным и, следовательно, они будут продвигаться в воде в самых различных направлениях - иногда вниз, иногда вверх, а иногда в сторону или наискось.
Однако, как это ни может показаться на первый взгляд странным, несмотря на совершенно беспорядочное движение молекул соли, будет происходить постепенное закономерное движение их вверх из мест с более высокой их концентрацией в места с более низкой концентрацией, пока, наконец, молекулы соли не распространятся равномерно во всем объеме находящейся в стакане воды.
Для объяснения причины этого как будто неожиданного процесса, носящего название диффузии, рассмотрим, что будет происходить с молекулами соли на границе условно взятого в стакане сечения а-а (рис. 9).
Рис. 9. Диффузия молекул соли в воде.
Процесс диффузии не связан с какой-либо силой, которая якобы заставляет молекулы соли передвигаться вверх, т. е. в область с меньшей их концентрацией в воде.
Каждая молекула соли ведет себя независимо от других молекул соли, с которыми она встречается очень редко.
Каждая молекула соли, где бы она ни находилась -ниже сечения а-а или выше его, испытывает непрерывные толчки со стороны молекул воды, в результате которых она может продвигаться вниз от этого сечения или вверх от него.
Но тут вступает в силу теория вероятностей и ее основной закон больших чисел, широко применяемый в настоящее время естественными науками (и в первую очередь физикой и химией) при изучении свойств тел, состоящих из огромного числа отдельных частиц (молекул, атомов, ионов и др.).
Точность статистического закона больших чисел повышается по мере увеличения количества участвующих в данном явлении частиц и, наоборот, снижается с их уменьшением, вплоть до того, что при некотором их числе этот закон становится неприменимым и мы переходим в область чистой случайности.
Для пояснения этого положения можно прибегнуть к простому общедоступному опыту. Возьмем два одинаковых по размеру, но разных по окраске шарика: белый и черный.
Положим их в какую-нибудь урну или просто в шапку и будем последовательно вынимать один из этих шариков, каждый раз возвращая обратно вынутый шарик.
Поскольку шарики одинакового размера, по-видимому, имеется одинаковая возможность для каждого из них быть вынутым из урны. Но эта одинаковая возможность будет выявляться все в большей степени по мере увеличения числа опытов.
Если мы проведем два-три или даже пять опытов, то возможно, что 2-3 или даже 5 раз будет вынут только белый или только черный шарик.
Но для ста опытов такая вероятность становится невозможной, количество вынутых белых и черных шариков будет приближаться к пятидесяти.
При этом закон вероятности утверждает, что неточность, с какой мы можем определить среднее число случаев, в которых наступает данное явление, равно корню квадратному из количества этих случаев.
Вернемся теперь к нашему стакану с водой и растворенными в ней молекулами соли. Согласно теории вероятности возможности продвижения молекул соли вниз или вверх от сечения а-а будут одинаковы в силу того, что каждую молекулу соли окружает огромное количество молекул воды, от которых она испытывает колоссальное число толчков как вверх, так и вниз.
Но если все молекулы соли, находящиеся в стакане воды около сечения а-а, будут с одинаковой вероятностью перемещаться как вверх, так и вниз от этого сечения, то именно поэтому молекулы соли чаще будут пересекать сечение а-а снизу вверх, чем сверху вниз, поскольку ниже этого сечения концентрация молекул соли больше, чем над ним.
Такое преимущественное перемещение вверх молекул соли будет происходить до тех пор, пока не наступит равномерное распределение их во всем объеме воды.
Одновременно с процессом растворения соли происходит обратный процесс ее кристаллизации, так как в результате беспорядочного движения молекул соли некоторые из них, находящиеся вблизи поверхности кристаллов соли, при столкновении с нею могут задержаться на ней, восстанавливая, таким образом, частично разрушенный в результате процесса растворения кристалл.
Очевидно, что такая возможность обратного процесса будет возрастать по мере возрастания концентрации раствора.
Но по мере того как мы будем всыпать в наш стакан еще порции поваренной соли, наступит момент, когда растворение ее как бы прекратится, т. е. когда скорость обоих процессов (растворения и кристаллизации) выравняется, при этом в единицу времени будет столько же молекул переходить в раствор, сколько их выделится на кристаллах соли. Растворы, имеющие такую предельную концентрацию растворенного вещества, называют насыщенными растворами.
При достижении такого состояния в нашем стакане наступит так называемое динамическое равновесие между твердой солью и ее насыщенным раствором в воде, в результате которого нам будет казаться, что процесс растворения прекратился.
Чтобы убедиться в том, что в насыщенных водных растворах не прекращаются процессы растворения твердого вещества в воде и обратного его выделения из воды, достаточно провести следующий опыт.
После получения в нашем стакане насыщенного раствора хлористого натрия добавим в него некоторое количество кристаллов этой соли, содержащих радиоактивный натрий.
Тогда уже через несколько минут мы обнаружим с помощью специального счетчика (Гейгера-Мюллера), что в растворе появились радиоактивные атомы натрия, причем количество их будет постепенно нарастать, достигнув через несколько десятков минут наибольшего значения.
Этот опыт убедительно показывает, что в насыщенном растворе все время идет обновление кристаллов, т. е. переход молекул хлористого натрия с поверхности кристалла в насыщенный раствор и переход на их место молекул соли из раствора.
Процесс диффузии в растворах протекает относительно медленно, вследствие чего слой воды, непосредственно прилегающий к кристаллам соли, быстро становится насыщенным, после чего дальнейшее растворение происходит только по мере того, как из этого слоя диффундируют вверх растворенные молекулы соли.
Таким образом, процесс растворения соли быстро спадает и протекает так же медленно, как и диффузия растворенных молекул соли.
Поэтому для ускорения растворения прибегают к искусственному ускорению диффузии путем перемешивания раствора.
Растворение газов в воде происходит в основном аналогично растворению твердого тела, с тем лишь отличием, что проникновение в воду молекул твердого тела происходит путем отрыва их молекулами воды от кристаллов соли, находящихся в воде, а попадание в воду молекул газообразного вещества осуществляется в результате их беспорядочного движения над поверхностью воды, в результате чего некоторые из них попадают непосредственно на поверхность воды и, подвергаясь действию притягательных сил молекул воды, втягиваются внутрь.
Это втягивание молекул газа внутрь воды и является одним из существенных моментов процесса растворения газов в воде.
Дальнейшая судьба попавших в глубь воды молекул газа аналогична поведению растворенный молекул соли, которые, испытывая различные столкновения с окружающими их молекулами воды, совершают также беспорядочные движения.
Некоторые молекулы газа в результате этого движения между молекулами воды могут вновь очутиться на ее поверхности.
При благоприятном толчке этой молекулы по направлению к поверхности воды она может даже улететь из воды, или, очутившись на поверхности воды, эта молекула газа может освободиться в результате удачного толчка, который она получит от какой-либо подлетевшей другой молекулы газа, в противном случае эта молекула газа вновь будет втянута в глубь воды.
Таким образом, если мы имеем воду и находящийся над ней какой-либо газ, например кислород, то будут происходить одновременно два противоположных процесса: проникновение молекул кислорода в воду, т. е. его растворение в воде, и обратный процесс - вылетание молекул кислорода из воды.
По мере того как количество растворенных в воде молекул кислорода будет возрастать, будет соответственно увеличиваться возможность для некоторых из них вырваться из воды.
Наконец наступит момент, когда количество попадающих в воду молекул кислорода станет равным числу уходящих из воды молекул кислорода.
Следовательно, наступит аналогично системе кристаллы соли - насыщенный раствор так называемое динамическое равновесие, при котором процесс растворения кислорода в воде хотя и будет продолжаться, но количество молекул газа в воде будет неизменным.
Однако имеется и существенное отличие между системой кристаллы соли - насыщенный раствор ее в воде и системой газ - раствор газа в воде.
Дело в том, что максимальное количество молекул газа в нашем случае - кислорода, которое может быть растворено в воде, будет тем больше, чем больше этих молекул будет находиться над поверхностью воды и, следовательно, чем больше будет создаваться благоприятных столкновений молекул газа с водой и проникновение их в глубь ее.
В самом деле, вернемся к нашей системе кислород - раствор кислорода в воде, когда в ней наступило динамическое равновесие.
Что произойдет, если мы каким-либо путем увеличим количество находящегося над раствором кислорода, т. е. если мы увеличим количество молекул кислорода в единице объема пространства, находящегося над раствором?
Тогда количество молекул кислорода, попадающих в раствор, увеличится, в то время как количество молекул, вылетающих из него, остается пока еще тем же.
Следовательно, динамическое равновесие нарушится и начнется дальнейшее растворение молекул кислорода, пока в результате увеличения их в воде не наступит новое динамическое равновесие, которое будет отличаться от первого тем, что количество растворенных в воде молекул кислорода увеличится.
Итак, мы установили связь между количеством кислорода в единице объема над раствором и растворимостью кислорода в воде.
Но согласно молекулярно-кинетической теории давление газа, производимое им на стенки сосуда, в котором он находится, прямо пропорционально числу молекул в единице объема, т. е. чем больше молекул газа в единице объема, тем чаще эти молекулы будут ударяться о стенки сосуда, и, следовательно, тем большее давление они будут испытывать.
Отсюда можно сказать, что растворимость газа прямо пропорциональна его давлению. Эта связь между давлением газа и его растворимостью называется законом Генри-Дальтона.
Практически в большинстве случаев мы будем иметь дело не с одним каким-либо газом, а со смесью нескольких газов, и прежде всего с воздухом, представляющим собой смесь азота, кислорода, углекислого газа и др.
Как в этих условиях будет происходить растворение их в воде?
Совершенно очевидно, что вероятность проникновения молекул кислорода в воду будет, как и прежде, тем больше, чем больше этих молекул будет в единице объема пространства над водой, независимо от количества молекул других газов, т. е. опять будет действовать тот же закон Генри-Дальтона.
Но давление смеси газов слагается из давлений отдельных газов, определяемых соответственно числом молекул каждого газа.
При этом доля общего давления такой смеси газов, приходящаяся на отдельный газ, называется его парциальным давлением.
Следовательно, обобщая закон Генри - Дальтона и для смеси газов, можно сказать, что растворимость газов пропорциональна их парциальному давлению.
Познакомимся коротко с вопросом о влиянии на растворимость температуры. Для водных растворов твердых веществ в подавляющем большинстве случаев при повышении температуры растворимость более или менее увеличивается (вещества с положительным коэффициентом растворимости).
Однако некоторые вещества имеют отрицательный коэффициент растворимости, т. е. их растворимость в воде с повышением температуры понижается.
К таким веществам, в частности, относятся: гидрат окиси кальция Са(ОН)2 и сернокислый кальций CaSО4 *.
* Начиная с температуры 40° С и выше.
При повышении температуры в системе газ и его раствор в воде будет происходить, как мы уже знаем, увеличение интенсивности движения молекул, т. е. повышение числа быстрых молекул, что в свою очередь будет иметь два следствия.
С одной стороны это будет способствовать увеличению числа молекул газа, проникающих в воду, в то же время будет расти число молекул, могущих вырваться из воды.
В конечном итоге это приведет к понижению растворимости газа. Над водой всегда находится смесь газов, в том числе и некоторое количество паров воды.
При нагревании воды количество паров воды над ней начинает возрастать, за счет чего уменьшается количество остальных газов, а следовательно, уменьшается и их парциальное давление, вследствие чего растворимость остальных газов в воде заметно уменьшается, и тем больше, чем ближе температура воды к точке ее кипения.
При кипении над водой будет, по существу, находиться только один газ - пары воды, и, следовательно, парциальное давление других газов будет близким к нулю. Поэтому при кипении воды все растворенные в ней газы практически полностью удаляются.
Количество растворенного вещества, находящегося в единице объема или веса растворителя, называют концентрацией растворов.
Концентрацию водных растворов выражают обычно количеством граммов растворенного вещества в 1 л воды и обозначают сокращенно г/л, или в 1 м3 воды - г/м3, а для малорастворимых веществ - в миллиграммах растворенного вещества, т. е. мг/л.
Выражают также концентрацию растворов в процентах, чаще в весовых процентах, т. е, указывают, сколько весовых частей безводного вещества растворяется в 100 весовых частях растворителя или сколько весовых частей безводного вещества растворено в 100 весовых частях раствора.
В химии воды имеет распространение удобная мера концентрации веществ, выражаемая количеством граммов или миллиграммов вещества в 1 л раствора, численно равная его эквивалентному весу и сокращенно обозначаемая соответственно г-экв/л или мг-экв/л.
Эта мера концентрации удобна тем, что химические элементы соединяются между собой в эквивалентных количествах.
Растворимостью данного вещества в воде называют предельное количество этого вещества, которое может быть растворено в воде при данных условиях, т. е. когда этот раствор становится насыщенным.
Поэтому растворимость всякого вещества определяется величиной концентрации его насыщенного раствора.
www.comodity.ru
