Підготовка до ЗНО з хімії

Розчинення – процес рівномірного розподілу частинок розчиненої речовини в об’ємі розчину. Розчинення – самовільний процес.

Перехід речовини у розчин супроводжується поступовим збільшенням її концентрації. Зворотний процес – виділення речовини з розчину – кристалізація. На початку процесу утворення розчину переважає процес розчинення, а у певний момент настає динамічна рівновага між розчиненням і кристалізацією.

Розчинення не можна розглядати як механічний процес, оскільки властивості розчинника і розчинених речовин у розчині змінюються. Про це свідчать такі факти:

1. Об’єм розчину ніколи не дорівнює сумі об’ємів окремо взятих компонентів – “контракція” (500 мл води + 500 мл етанолу = 940 мл);
2. Зміна температури при розчиненні (NH₃ + H₂O – охолодження, H₂SO₄ + H₂O – розігрівання);
3. Зміна забарвлення (білий CuSO₄ і безбарвна H₂O утворюють розчин блакитного кольору).

Ці явища зумовлені фізичними та хімічними факторами. Вплив їх пояснюють відповідно фізична та хімічна теорії утворення розчинів.

Прихильники фізичної теорії (Я. Вант-Гофф, В. Оствальд, Ф. Рауль) розглядали процеси розчинення як фізичне явище. Розподіл молекул розчиненої речовини між молекулами розчинника відбувається за рахунок дифузії, при цьому будь-яка міжмолекулярна взаємодія виключена.

Хімічна теорія розчинення (Д.І. Менделєєв, І.А. Каблуков, М.С. Курнаков) передбачала хімічну взаємодію між молекулами розчинника і розчиненої речовини, яка веде до утворення більш-менш стійких продуктів.

Фізична та хімічна теорії лягли в основу сучасної фізико-хімічної теорії утворення розчинів, яка враховує фізичні та хімічні процеси при розчиненні. Фізичними явищами є розподіл молекул розчиненої речовини між молекулами розчинника шляхом дифузії і взаємодія між ними за рахунок електростатичних сил: диполь-дипольна, міжіонна тощо.

Фізичні сили діють на великих відстанях і передують хімічним, які починають діяти на відстані діаметра молекули і перебудовують електронні оболонки атомів або іонів.

Сукупність фізичних та хімічних процесів взаємодії розчиненої речовини з розчинником називають сольватацією (у випадку, коли розчинником є вода – гідратацією). Сполуки змінного складу, що утворюються у процесі сольватації називають сольватами (у випадку води – гідратами).

Розглянемо сутність процесу утворення розчину на прикладі розчинення твердої речовини у рідині (NaCl у Н₂О).

NaCl – кристалічна іонна сполука, у водному розчині існують іони Na⁺ та Cl^–. Між молекулами води діють водневі зв’язки і сили Ван-дер-Ваальса. Процес розчинення починається з орієнтації диполів води відносно кристалічної гратки NaCl. Між розміщеними на поверхні кристалу NaCl іонами Na⁺ та Cl^– та диполями води виникає іон-дипольна взаємодія. Диполі води орієнтуються так, що до іонів Na⁺ вони обертаються негативним, а до іонів Cl^– – позитивним полюсом. Внаслідок взаємодії з диполями води іони Na⁺ та Cl^– вириваються з поверхні кристала, гідратуються і дифундують в розчинник. Кристал NaCl розпадається на гідратовані іони, які утворюють з водою гомогенну систему – іонний розчин (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схема розчинення NaCl у воді.

Іноді гідратна вода настільки міцно зв’язана з розчиненою речовиною, що при виділенні речовини з розчину виходить до складу її кристалів.

Кристалічні речовини, до складу яких входить вода називають кристалогідратами, а воду у їх складі – кристалізаційною.

Склад кристалогідратів виражають, вказуючи у формулі кількість молекул кристалізаційної води, що припадає на одну молекулу речовини. Так, запис CuSO₄∙5H₂O означає, що в кристалогідраті на одну молекулу CuSO₄ припадає 5 молекул H₂O, а запис 2CаSO₄∙H₂O або CаSO₄∙0,5H₂O – на одну молекулу Н₂О припадає 2 молекули CаSO₄.

Деякі речовини утворюють кристалогідрати з різною кількістю молекул води. Так, CoCl₂ утворює кристалогідрати складу CoCl₂∙хН₂О, де х = 1, 2, 4 або 6. Залежно від кількості молекул кристалізаційної води змінюється забарвлення кристалогідрату. Розчин CoCl₂ – рожево-червоного кольору (гідратовані іони Co²⁺), кристалогідрат CoCl₂∙6Н₂О – рожево-червоний, CoCl₂∙4Н₂О – рожевий, CoCl₂∙2Н₂О – синьо-фіолетовий, CoCl₂∙Н₂О – темно-синій, CoCl₂ – блідо-синій.

Більшість кристалогідратів – сполуки нестійкі і легко втрачають кристалізаційну воду. Na₂CO₃∙10Н₂О втрачає воду при 20 ⁰С, Na₂SO₄∙10Н₂О – при 32 ⁰С, СuSO₄∙5Н₂О – при тривалому нагріванні.