У цьому параграфі ви дізнаєтеся:
• на які структурні частинки подрібнюються речовини під час розчинення;
• чому розчинення вважають фізико-хімічним процесом.
Сутність процесу розчинення. Розчинення — це процес переходу речовини в розчин без зміни ступенів окиснення елементів. Простежимо за цим процесом на прикладі солі та кислоти чи основи.
Під час розчинення відбувається подрібнення речовини до стану молекул або йонів, наприклад:
а також рівномірний розподіл (дифузія) частинок, що утворилися, між молекулами води. Процес дифузії відбувається спонтанно в результаті теплового руху частинок розчину. Подрібнення й дифузія — це фізичні процеси, тому й розчинення можна вважати фізичним процесом.
Демонстраційний дослід
Дифузія в рідинах
У циліндричну посудину об’ємом 250 мл наливають дистильованої води до 2/3 її об’єму. Потім за допомогою піпетки обережно доливають, уникаючи перемішування, на її дно 20 мл концентрованого розчину калій дихромату K2Cr2O7 — речовини оранжево-червоного кольору. Починаючи із цього моменту молекули води проникатимуть у нижній шар розчину, а частинки солі — у верхній. Такий процес відбуватиметься, поки концентрація розчину в усьому об’ємі не стане однаковою — про це свідчитиме його однорідне забарвлення.
Однак якщо в хімічний стакан з водою за кімнатної температури внести кристали солі — амоній нітрату, то в міру розчинення солі розчин охолоне настільки сильно, що стакан навіть примерзне до столу, якщо зовні був мокрим. Це може відбутися лише в результаті витрачання енергії у вигляді теплоти.
На який процес витрачається енергія?
На переведення речовини з твердого стану в розчинений, тобто на руйнування кристалічних ґраток.
Вода витрачає свою енергію на руйнування хімічних зв’язків (NH+)—(NO3) у йонному кристалі солі. Йони NH+ та NO3, що утворилися, переходять у розчин.
Отже, під час розчинення NH4NO3 у воді температура розчину знижується. Проте другий експеримент змушує замислитися.
Якщо розчинити у воді іншу речовину з йонними кристалічними ґратками — натрій гідроксид NaOH, то виявиться, що температура розчину підвищується:
Йонні ґратки руйнуються (адже утворюється розчин), вода витрачає свою енергію, а температура не тільки не знижується, а, навпаки, зростає. Зрозуміло, що відбувається ще якийсь процес з виділенням теплоти і цей процес має перевагу над руйнуванням кристалічних ґраток.
У результаті додавання до води, наприклад, сульфатної кислоти також відбувається розігрівання розчину, тобто розчинення супроводжується виділенням теплоти.
Отже, виділення або поглинання теплоти під час розчинення вказує на наявність хімічного процесу, зумовленого утворенням якихось нових зв’язків.
Які ж зв’язки утворюються?
Після руйнування йонних зв’язків (Na+)—(OH), так само, як і для NH4NO3, йони Na+ і OH- потрапляють у воду. Полярні молекули води — диполі («два полюси») певним чином орієнтуються навколо кожного з йонів, електростатично взаємодіють з ними, створюючи водну оболонку (рис. 9).
Такі водні оболонки навколо йонів називають гідратними, процес їхнього утворення — гідратацією, а продукти — гідратова-ними йонами. Експерименти показують, що гідратна оболонка навколо кожного йона складається приблизно з 30 молекул води. Цей процес супроводжується виділенням енергії.
Сила, яка зв’язує частинки в гідратній оболонці, та кількість диполів Н^О в ній залежать від багатьох факторів: від заряду йона та його розмірів, від температури розчину, від кількості води тощо. Енергія кристалічних ґраток також залежить від хімічної
природи йонів, що їх утворюють. Тому й кількість теплоти, що виділяється чи поглинається під час розчинення, різна. Демонстраційний дослід Теплові явища під час розчинення
Наливають у два хімічні стакани ємністю 100 мл воду об’ємом 50 мл і вимірюють температуру термометром. Потім в один зі стаканів насипають 0,4 г амоній нітрату, розмішують його до повного розчинення та знову вимірюють температуру. Яким чином змінилася температура: зросла чи знизилася?
У другий стакан насипають 0,55 г CaCl2, попередньо прожареного в муфельній печі за температури 300 °С та охолодженого до кімнатної температури. Розмішують його скляною паличкою до повного розчинення і визначають температуру розчину. Попереднє прожарювання кальцій хлориду необхідне для одержання зневодненої солі:
У якому з проведених дослідів відбувалося виділення теплоти, а в якому — поглинання?
Таким чином, ми спостерігали, що процес розчинення речовин в одних випадках супроводжується поглинанням теплової енергії, а в інших — її виділенням. Це свідчить про те, що під час розчинення речовин відбуваються як фізичні явища (подрібнення речовин до структурних частинок — молекул або йонів, їхня дифузія), так і хімічні — взаємодія утворених частинок з молекулами розчинника. Загальний тепловий ефект процесу розчинення залежить від співвідношення величини енергії, яка поглинається у результаті розриву зв’язків між йонами і величини енергії, яка виділяється у результаті хімічної взаємодії цих часток з молекулами води, тобто гідратації. Отже, розчинення — це фізико-хіміч-ний процес. Висновок: розчини займають проміжне положення між механічними сумішами та хімічними сполуками.
Схожість розчинів з механічними сумішами:
а) розчини не мають сталого складу, він може змінюватися в широких межах;
б) розчини зберігають багато властивостей розчинника й розчиненої речовини. Їх можна легко розділити на складові, так само як і механічні суміші.
Схожість розчинів із хімічними сполуками:
а) розчини однорідні та стійкі, не осаджуються й не розшаровуються під час тривалого стояння;
б) процес розчинення супроводжується тепловими явищами, а в багатьох випадках — зміненням кольору.
Основні поняття. Подрібнення розчиненої речовини. Дифузія. Теплові явища. Гідратація.
Запитання та завдання
1. Який процес називають розчиненням? Чи відбувається при цьому зміна ступеня окиснення елементів?
2. Чому процес розчинення можна назвати: а) фізичним; б) хімічним; в) фізико-хімічним?
3. Який процес — фізичний чи хімічний — супроводжується: а) поглинанням енергії; б) виділенням енергії?
4. Як називають водні оболонки, що утворюються навколо кожного йона, коли він переходить у воду? Як називають полярні молекули води, що утворюють водні оболонки?
5. Чим розчини схожі з механічними сумішами? із хімічними сполуками?
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)