Химия - 8-9 класс

Глава 11. Взаимодействие веществ с водой

11.1. Физическое растворение

При попадании какого-либо вещества в воду оно может:

а) раствориться в воде, то есть перемешаться с ней на атомно-молекулярном уровне;

б) вступить с водой в химическую реакцию;

в) не раствориться и не прореагировать.

От чего же зависит результат взаимодействия вещества с водой? Естественно, от характеристик вещества и от характеристик воды.

Начнем с растворения и рассмотрим, какие характеристики воды и взаимодействующих с ней веществ имеют наибольшее значение в этих процессах.

Поместим в две пробирки по небольшой порции нафталина С₁₀Н₈. Нальем в одну из пробирок воду, а в другую – гептан С₇Н₁₆ (можно вместо чистого гептана использовать бензин). Нафталин в гептане растворится, а в воде – нет. Проверим, действительно ли нафталин растворился в гептане или прореагировал с ним. Для этого поместим несколько капель раствора на стекло и подождем, пока гептан испарится – на стекле образуются бесцветные пластинчатые кристаллики. В том, что это нафталин, можно убедиться по характерному запаху.

Одно из отличий гептана от воды в том, что его молекулы неполярны, а молекулы воды полярны. Кроме того, между молекулами воды есть водородные связи, а между молекулами гептана их нет.

Для растворения нафталина в гептане требуется разорвать слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и слабые межмолекулярные связи между молекулами гептана. При растворении образуются столь же слабые межмолекулярные связи между молекулами нафталина и гептана. Тепловой эффект такого процесса практически равен нулю.

За счет чего же нафталин растворяется в гептане? Только за счет энтропийного фактора (растет беспорядок в системе нафталин – гептан).

Для растворения нафталина в воде необходимо, кроме слабых связей между его молекулами, разорвать водородные связи между молекулами воды. При этом водородные связи между молекулами нафталина и воды не образуются. Процесс получается эндотермическим и настолько энергетически невыгодным, что энтропийный фактор здесь помочь не в силах.

А если вместо нафталина взять другое вещество, молекулы которого способны образовывать водородные связи с молекулами воды, то будет ли такое вещество растворяться в воде?

Если нет других препятствий, то будет. Например, вы знаете, что сахар (сахароза С₁₂Н₂₂О₁₁) прекрасно растворим в воде. Посмотрев на структурную формулу сахарозы, вы увидите, что в ее молекуле есть группы –О–Н, способные образовывать водородные связи с молекулами воды.

Убедитесь экспериментально, что сахароза малорастворима в гептане, и попробуйте самостоятельно объяснить, почему так различаются свойства нафталина и сахарозы.

Растворение нафталина в гептане и сахарозы в воде называют физическим растворением.

Физическое растворение – растворение, при котором происходит разрыв и образование только межмолекулярных связей (включая водородные).

Физически растворяться могут только молекулярные вещества.

Растворитель – вещество, которое до образования раствора находилось в том же агрегатном состоянии, что и образовавшийся раствор.

Другие компоненты раствора называются растворенными веществами.

Выявленные нами закономерности относятся и к случаям растворения в воде (да и в большинстве других растворителей) жидких и газообразных веществ. Если все вещества, образующие раствор, до растворения находились в одном агрегатном состоянии, то растворителем обычно называют то вещество, которого в растворе больше. Исключение из этого правила – вода: ее обычно называют растворителем, даже если ее меньше, чем растворенного вещества.

Причиной физического растворения вещества в воде может быть не только образование водородных связей между молекулами растворяемого вещества и воды, но и образование других видов межмолекулярных связей. Так бывает прежде всего в случае растворения в воде газообразных веществ (например, углекислого газа или хлора), в которых молекулы вообще не связаны друг с другом, а также некоторых жидкостей с очень слабыми межмолекулярными связями (например, брома). Выигрыш в энергии достигается здесь за счет ориентации диполей (молекул воды) вокруг полярных молекул или полярных связей в растворяемом веществе, а в случае хлора или брома –вызван склонностью к присоединению электронов атомов хлора и брома, сохраняющейся и в молекулах этих простых веществ (подробнее –в § 11.4).

Во всех этих случаях вещества значительно хуже растворяются в воде, чем при образовании водородных связей.

Если из раствора удалить растворитель (например так, как вы это делали в случае раствора нафталина в гептане), то растворенное вещество выделится в химически неизменном виде.

ФИЗИЧЕСКОЕ РАСТВОРЕНИЕ, РАСТВОРИТЕЛЬ.

1.Объясните, почему гептан нерастворим в воде

2.Подскажите знак теплового эффекта растворения в воде этилового спирта (этанола).

3.Почему аммиак хорошо растворим в воде, а кислород – плохо?

4.Какое вещество лучше растворимо в воде – аммиак или фосфин (PH₃)?

5.Объясните причину лучшей растворимости в воде озона, чем кислорода.

6.Определите массовую долю глюкозы (виноградного сахара, С₆Н₁₂О₆) в водном растворе, если для его приготовления использовали 120 мл воды и 30 г глюкозы (плотность воды примите равной 1 г/мл). Какова концентрация глюкозы в этом растворе, если плотность раствора равна 1,15 г/мл?

7.Сколько сахара (сахарозы) можно выделить из 250 г сиропа с массовой долей воды, равной 35 %?.

1. Опыты по растворению различных веществ в различных растворителях.

2. Приготовление растворов.

11.2. Химическое растворение

В первом параграфе мы рассмотрели случаи растворения веществ, при которых химические связи оставались неизменными. Но так бывает далеко не всегда.

Поместим в пробирку несколько кристаллов хлорида натрия и добавим воду. Через некоторое время кристаллы растворятся. Что произошло?

Хлорид натрия – вещество немолекулярное. Кристалл NaCl состоит из ионов Na и Cl. При попадании такого кристалла в воду в нее переходят эти ионы. При этом рвутся ионные связи в кристалле и водородные связи между молекулами воды. Попавшие в воду ионы вступают во взаимодействие с молекулами воды. В случае хлорид-ионов это взаимодействие ограничивается электростатическим притяжением дипольных молекул воды к аниону, а в случае катионов натрия оно приближается по своей природе к донорно-акцепторному. Так или иначе, ионы покрываются гидратной оболочкой (рис. 11.1).

Гидратная оболочка – окружение иона, состоящее из одного или нескольких слоев определенным образом ориентированных молекул воды.

В виде уравнения реакции это можно записать так:

NaCl_кр + (n + m)H₂O = [Na(H₂O)_n] + [Cl(H₂O)_m]^A

или сокращенно , где индекс aq означает, что ион гидратирован. Такое уравнение называют ионным уравнением.

Можно записать и "молекулярное" уравнение этого процесса:(такое название сохранилось с тех пор, когда предполагалось, что все вещества состоят из молекул)

Гидратация – процесс образования гидратной оболочки.

Гидратированные ионы слабее притягиваются друг к другу, и энергии теплового движения оказывается достаточно для того, чтобы эти ионы не слипались в кристалл.