Теория растворения веществ

По структуре раствор, занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями. С механическими смесями их роднят переменность состава и непрерывная, «плавная» зависимость их свойств от состава; а с химическими соединениями - однородность состава по всей фазе и наличие теплового эффекта при образовании. В соответствии с этим, первое время существовали две противоборствующие теории: «физическая» и «химическая», каждая из которых отстаивала свои взгляды на строение растворов.

Современные представления о строении растворов основываются на солъватной теории, выдвинутой Менделеевым и развитой его последователями. Согласно этой теории, в системе при растворении одновременно происходят два процесса: распределение растворяемого вещества в объеме растворителя (физический процесс) и образование

Рис. 5.1 Гидратация ионов Na и СГ при растворении NaCI

из молекул растворителя и растворяемого вещества нестойких соединений переменного состава - сольватов (химический процесс).

Менделеев, изучавший водные растворы, назвал эти соединения гидратами. Он установил, что соединение молекул или ионов растворяемого вещества с молекулами растворителя осуществляется главным образом за счет образования водородной связи или вследствие электростатического взаимодействия полярных молекул веществ. Особенно склонны к сольватации ионы.

Сольватацию можно рассмотреть на примере растворения кристалла поваренной соли в воде (рис. 5.1) Диполи воды ориентируются вокруг отрицательных ионов хлора своим положительным полюсом, а вокруг положительных ионов натрия - отрицательным, т.е. происходит гидратация ионов. В результате этого процесса связь между поверхностно расположенными ионами в кристалле хлорида натрия ослабляется. Ионы натрия и хлора отрываются от кристалла, а молекулы воды образуют вокруг них так называемые гидратные оболочки. Отделившиеся гидратированные ионы под влиянием теплового движения перемещаются, равномерно распределяясь между молекулами растворителя.

Под сольватацией понимают всю совокупность взаимодействий, осуществлящихся в растворе, которые в зависимости от природы растворителя и растворенного вещества могут

иметь различную природу и проявляться по-разному. Например, сольватация молекул иода молекулами тетрахлорида углерода, молекул фосфора или серы молекулами сероуглерода осуществляется исключительно за счет слабого ван-дер-ваальсовского взаимодействия, но все же энергия сольватации оказывается больше, чем энергия взаимодействия частиц в молекулярных кристаллах. Как правило, из таких молекулярных растворов растворитель легко удаляется, а растворенное вещество остается в химически неизменном виде. При испарении растворителя из перечисленных растворов можно получить кристаллы иода, фосфора, серы. Это пример слабых сольватационных взаимодействий.

Примером сильного сольватационного взаимодействия может служить взаимодействие воды с ионом Fe ³⁺. При растворении в воде безводного трихлорида железа молекулы Fe₂CI₆, из которых образован кристалл, настолько энергично взаимодействуют с молекулами воды, что не только распадаются на ионы, но и ион Fe³⁺ образует очень прочную комплексную частицу [Fe(H₂0)₆]³⁺ . Если теперь удалять растворитель, то из раствора кристаллизуется не безводный хлорид, а так называемый кристаллогидрат - соединение с водой - FeCI₃ * 6Н₂0, или, точнее, аквакомплекс [Fe(H₂0)₆]CI₃. Удалить из него воду и получить таким образом безводный FeCI₃ невозможно. Например, при нагревании кристаллогидрата через ряд сложных форм происходит не только удаление воды, но и полный распад соединения с образованием оксида и газообразного HCI:

2[Fe(H₂0)₆ ]CI₃ = Fe₂0₃ + 6HCI + 9Н₂0.

Между этими двумя крайними случаями - сохранением молекул в растворе и их распадом - существует великое множество промежуточных. Например, из раствора иода в спирте выделяются кристаллы сольвата. В этом случае энергия взаимодействия иода с растворителем так велика, что продукт взаимодействия может быть выделен как индивидуальное вещество. Но соединение иода с бензолом настолько непрочно, что существует только в растворе, а из раствора кристаллизуется чистый иод. Трихлорид железа из раствора в РОС1₃ кристаллизуется в виде FeCI₃ ^е РОС1₃ - кристаллосольвата или аддукта, а из раствора в дихлорэтане C₂H₄CI₂ кристаллизуется чистый FeCI₃.

Таким образом, растворимость вещества определяется тем, насколько различаются энергии межмолекулярного взаимодействия в чистом растворяемом веществе и в чистом растворителе. Если значения энергии взаимодействия близки, то растворимость, как правило, велика, если же они различаются сильно, то мала. Отсюда следует правило, установленное еще алхимиками: подобное растворяется в подобном.

Способностью сольватироваться (гидратироваться) при растворении обладают не только

кристаллические вещества, но также газообразные и жидкие.

24.3. ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРЕНИЯ.

Для выявления термодинамических особенностей растворов воспользуемся сольватной теорией и аддитивностью функций состояния системы. На основании этого процесс растворения можно представить состоящим из двух последовательных стадий: распределения растворяемого вещества по объему растворителя и образования сольватов. Первая стадия тождественна фазовому переходу: плавлению - при растворении кристаллических тел, конденсации - при растворении газов; вторая - химическому процессу.

На основании этого, согласно закону Гесса, теплоту растворения можно оценить как сумму

энтальпий указанных стадий (см. вопрос 11.5).

∆Н_Ф = ∆Н_Ф + ∆Н_С

Что касается энтропии, то необходимо иметь в виду, что при образовании растворов наряду с вышеупомянутыми физическими и химическими процессами происходит ещё и взаимное смешение веществ. Тогда, исходя из свойств энтропии (см. лекц.13, пункт 7), при образовании раствора, состоящего из k компонентов, имеем

∆S_Р = ∆Б_Ф + ∆S_C + ∆S _{CMЕШЕНИЯ}

Сольватация, как правило, сопровождается убылью энтальпии (АН_С < 0). Энтропия при этом вследствие упорядочения микроструктуры системы также уменьшается (∆S_C< 0).

Плавление тел сопровождается увеличением их энергии и возрастанием беспорядка в их микроструктуре. В результате этого и энтальпия, и энтропия системы при плавлении увеличиваются (∆Н _ПЛ > 0 и. ∆S nn. >0).

Конденсация газов сопровождается убылью энергии системы, а порядок в ее микроструктуре при этом возрастает. В результате этого и энтальпия, и энтропия системы при конденсации уменьшаются

(∆ Н _конд. < 0 и ∆S _конд. < 0).

Смешение не отражается на энтальпии системы, а ее энтропия при этом в любом случае увеличивается (∆S_CM > 0).

Из вышеизложенного следует, что суммарные изменения энтальпии и энтропии системы при образовании растворов (энтальпия растворения ∆Нр и энтропия растворения (∆Sp.) зависят как от абсолютного значения, так и от знака изменения соответствующих функций на отдельных стадиях процесса.

Если | ∆ Н с | > | ∆ Н пл.|, то растворение солей экзотермично, если же

| ∆ Н с | < | ∆ Н пл.|, то – эндотермично, Обычно процесс растворения кристаллогидратов эндотермичен, а безводных солей - экзотермичен.

В случае растворения газов оба слагаемые (∆ Н _С. и ∆Нконд.) отрицательны. Следовательно, растворение газов в любом случае сопровождается убылью энергии, т.е.- это экзотермический процесс.

Вопрос об энтропии растворения значительно сложнее, так как она состоит из трех переменных, малодоступных для измерения. Результаты могут оказаться самыми разнообразными. Однако в любом случае при растворении происходит убыль гиббсовой энергии системы: ∆G_P = ∆H_P-T∆S_P<0

Из приведенного выражения следует, что абсолютное значение ∆ G_P с повышением Т возрастает, если ∆S _Р > 0 и убывает - при ∆ S _Р< 0. Это позволяет утверждать, что энтропия растворения - одна из основных характеристик процесса образования растворов.

Растворение, как и любой другой термодинамический процесс, протекает до установления в системе равновесия с избытком растворенного вещества (осадком - в случае растворения кристаллических тел, газом над раствором - в случае растворения газов и т. п.). Количество растворенного вещества, необходимое для получения насыщенного раствора в заданном количестве растворителя определяет растворимость этого вещества. Растворимость S_i выражают, как правило, в г безводного вещества i, приходящихся на 100 г чистого растворителя. Для пересчета растворимости S; в массовые доли следует пользоваться формулой:

gi = 100 S_i / (100 + S_i), %. (В настоящее время растворимость часто указывают на 1000 г растворителя).

Растворимость, будучи характеристикой равновесного состояния системы, зависит от природы растворителя и растворенного вещества, а также от температуры, давления и присутствия других компонентов (примесей). Зависимость растворимости от температуры и давления согласуется с принципом Ле - Шателье: если растворение экзотермично, то повышение температуры уменьшает растворимость; если растворение сопровождается уменьшением объема системы, то при повышении давления растворимость увеличивается, и наоборот. Из этого следует, что растворимость газов в жидкостях увеличивается с понижением температуры и повышением давления, а растворимость кристаллических тел при повышении температуры увеличивается, если ∆Н _Р > 0, уменьшается - если ∆Н _Р < 0 и практически не зависит от давления. Данные о растворимости веществ приведены в справочниках.

Дата добавления: 2014-01-04