Тепловые эффекты растворения и гидратации

Класс Химия

21.04.2020
в классной работе законспектировать кратко материал урока

 Тема «Процесс растворения – физико-химический процесс. Гидратация. Понятие о кристаллогидратах. Тепловые явления при растворении веществ»

Рассмотрим процесс растворения веществ.

Растворимость веществ в воде - это физико- химический процесс. Растворимость твердых веществ в воде зависит от природы растворённого вещества, природы растворителя и температуры. Кристаллогидратами называются вещества, имеющие в своём составе воду.

 

Например, если мы добавляем в чай сахар, то можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. Если чай холодный, то сахар растворяется медленно. Наоборот, если чай горячий и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро. Попадая в воду, молекулы сахара, которые находятся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют связи с молекулами воды. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя. Молекулы сахара, которые перешли из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря диффузии. Если раствор нагреть или перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворения сахара проходит быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно, и раствор становится одинаково сладким по всему объему.

Вещества при растворении не меняются, после выпаривания растворов мы можем получить растворенное вещество в твердом состоянии. При растворении разрушается кристаллическая решетка растворенного вещества и ее частицы перемещаются в растворе, следовательно, растворение это физический процесс. Для осуществления такого процесса необходимо потратить энергию.

Но когда молекулы растворенного вещества связываются с молекулами воды, то фактически образуются новые химические соединения. Эти молекулярные ассоциаты не имеют постоянного состава. Их общее название - гидраты. Процесс связывания веществ с водой называется гидратацией. При выпаривании растворов происходит разрушение гидратов и образования кристаллического вещества. Однако некоторые вещества способны образовывать устойчивые гидраты, которые могут содержать воду даже в кристаллическом состоянии. Такие вещества называются кристалогидратами. Их можно выделить из раствора, осторожно путем выпаривания воду. В формулах следующих веществ кристаллизационная вода указывается после соединения формулы со знаком умножения. Например: CuSO₄ · 5H₂O - медный купорос, FeSO₄ · 7H₂O - железный купорос. Образование гидратов, то есть новых веществ, свидетельствует, что растворение - химический процесс.

Разобраться в сущности процесса растворения помогает изучение тепловых явлений, происходящих при этом. Известно, что одним из признаков химических реакций является выделение теплоты, а для физических явлений необходимо тратить энергию. Растворение серной кислоты сопровождается сильным разогревом раствора. Это результат химического взаимодействия между молекулами воды и растворенного вещества - гидратация сопровождается выделением энергии. А растворение нитрата аммония сопровождается охлаждением раствора. В этом случае на физический процесс разрушения кристаллической решетки тратится больше энергии, чем образуется при получении гидратов.

Приведенные факты говорят о том, что растворение следует считать физико-химическим процессом.

Растворение - это сложный физико-химический процесс, при котором происходит взаимодействие частиц растворителя и вещества, растворяется.

 

Гидраты и сольваты

При растворении многих веществ их молекулы или ионы связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solvere – растворять). Этот процесс называется сольватацией.

В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а самый процесс их образования – гидратацией.

В зависимости от природы растворённого вещества, сольваты могут образовываться разными путями.

1. При растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения. В этом случае говорят о ион-дипольном взаимодействии.

2. Может иметь место донорно-акцепторное взаимодействие. Здесь ионы растворённого вещества обычно выступают в качестве акцепторов, а молекулы растворителя – в качестве доноров электронных пар. В таком взаимодействии могут участвовать растворители, молекулы которых обладают неподеленными электронными парами (например, вода, аммиак).

3. При растворении веществ с молекулярной структурой сольваты образуются вследствие диполь-дипольного взаимодействия. Диполи растворённого вщества могут быть при этом постоянными (у веществ с полярными молекулами) или наведёнными (у веществ с неполярными молекулами).

Кристаллогидраты

Вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода – кристаллизационной.

Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизационной воды содержит кристаллогидрат.

Примеры:

• кристаллогидрат сульфата меди (медный купорос), содержащий одну грамм-
  молекулу CuSO₄ и пять грамм-молекул воды, изображается формулой
  CuSO₄ · 5 H₂O;
• кристаллогидрат сульфата натрия (глауберова соль) изображается формулой
  Na₂SO₄ · 10H₂O.
• Алюмокалиевые квасцы могут изображаться формулой:
  K₂SO₄ · A_l2(SO₄)₃ · 24H₂O или после сокращения на два: KAl(SO₄)₂ · 12H₂O

Свойства гидратов

Гидраты, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов.

Но иногда гидраты настолько прочны, что при выделении растворённого вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов.

Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Многие из них теряют кристаллизационную воду уже при комнатной температуре.

Так, прозрачные кристаллы «бельевой» соды (Na₂СO₃ · 10H₂O), если оставить их лежать на воздухе, очень легко «выветриваются», т.е., теряя воду, становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.

Тепловые эффекты растворения и гидратации

Растворение

Количество теплоты, поглощающейся (или выделяющейся) при растворении одной грам-молекулы вещества, называется теплотой растворения этого вещества.

Тепловые эффекты различных химических реакций выражаются количеством теплоты, выделяемой или поглощаемой при образовании 1 моля продукта.

Теплота растворения имеет отрицательное значение, если при растворении теплота поглощается, и положительное – при выделении теплоты. Например, теплота растворения нитрата аммония равна –6,32 ккал/моль, гидрооксида калия +13,3 ккал/моль.

Процесс растворения сопровождается значительным возрастанием энтропии системы, так как в результате равномерного распределения частиц одного вещества в другом резко возрастает число микросостояний системы. Поэтому, несмотря на эндотермичность растворения большинства кристаллов, изменение изобарного потенциала системы отрицательно и растворение протекает самопроизвольно.

При растворении кристаллов происходит их разрушение и распределение молекул (или ионов) по всей массе растворителя, что требует затраты энергии. Поэтому растворение должно сопровождаться поглощением теплоты. Если же наблюдается обратный эффект, то это показывает, что одновременно с растворением идёт другой процесс.

Гидратация

Если в качестве растворителя используют воду, то процесс называют гидратацией, а продукты взаимодействия - гидратами.

Гидрата́ция (от др.-греч. ὕδωρ «вода») — присоединение молекул воды к молекулам или ионам. Гидратация является частным случаем сольватации — присоединения к молекулам или ионам веществ молекул органического растворителя.

Процесс образования гидратов протекает с выделением теплоты. При растворении вещества, подвергающегося гидратации, общий тепловой эффект складывается их теплового эффекта собственно растворения и теплового эффекта гидратации.

Поскольку первый из этих процессов эндотермичен, а второй экзотермичен, то общий тепловой эффект процесса растворения, равный алгебраической сумме отдельных процессов, может быть, как положительным, так и отрицательным.