Растворимость - это что такое?

Химия - интересная и достаточно сложная наука. Её термины и понятия попадаются нам в повседневной жизни, и не всегда интуитивно понятно, что они означают и каков их смысл. Одним из таких понятий является растворимость. Этот термин широко используется в теории растворов, и в повседневной жизни мы сталкиваемся с его применением потому, что окружены этими самыми растворами. Но важно не столько само употребление этого понятия, сколько те физические явления, что оно обозначает. Но прежде чем перейти к основной части нашего повествования, перенесёмся в девятнадцатый век, когда Сванте Аррениус и Вильгельм Оствальд сформулировали теорию электролитической диссоциации.

История

Начинается исследование растворов и растворимости с физической теории диссоциации. Она самая простая для понимания, однако слишком примитивная и только в части моментов совпадает с реальностью. Суть этой теории в том, что растворённое вещество, попадая в раствор, распадается на заряженные частицы, называемые ионами. Именно эти частицы и обуславливают химические свойства раствора и некоторые его физические характеристики, в том числе проводимость и температуру кипения, плавления и кристаллизации.

Однако есть более сложные теории, которые рассматривают раствор как систему, частицы в которой взаимодействуют между собой и образуют так называемые сольваты - ионы, окружённые диполями. Диполь - это, в целом, нейтральная молекула, полюса которой разноимённо заряжены. Диполем является чаще всего молекула растворителя. Попадая в раствор, растворённое вещество распадается на ионы, а диполи притягиваются к одним ионам разноимённо заряженным по отношению к ним концом, а к другим ионам - соответственно другим разноимённо заряженным по отношению к ним концом. Таким образом и получаются сольваты - молекулы с оболочкой из других нейтральных молекул.

Теперь поговорим немного о сути самих теорий и посмотрим на них внимательнее.

Теории растворов

Образованием таких частиц можно объяснить множество явлений, которые не поддаются описанию с помощью классической теории растворов. Например, тепловой эффект реакции растворения. С позиций теории Аррениуса, сложно сказать, почему при растворении одного вещества в другом теплота может поглощаться и выделяться. Да, происходит разрушение кристаллической решётки, и поэтому энергия либо затрачивается и раствор охлаждается, либо выделяется при распаде из-за избыточности энергии химических связей. Но объяснить это с позиций классической теории оказывается невозможным, так как остаётся непонятным сам механизм разрушения. А если применить химическую теорию растворов, становится понятно, что молекулы растворителя, вклиниваясь в пустоты решётки, разрушают её изнутри, как бы "ограждая" ионы друг от друга сольватной оболочкой.

В следующем разделе мы рассмотрим, что такое растворимость и всё, что связано с этой, казалось бы, простой и интуитивно понятной величиной.

Понятие растворимости

Чисто интуитивно понятно, что растворимость показывает, как хорошо то или иное вещество растворяется в данном конкретном растворителе. Однако о природе растворения веществ нам известно обычно очень мало. Почему, например, мел не растворяется в воде, а поваренная соль - наоборот? Всё дело тут в прочности связей внутри молекулы. Если связи прочные, то из-за этого эти частицы не могут диссоциировать на ионы, тем самым разрушив кристалл. Поэтому он и остаётся нерастворимым.

Растворимость - это количественная характеристика, показывающая, какая доля растворённого вещества находится в виде сольватированных частиц. Её величина зависит от природы растворённого вещества и растворителя. Растворимость в воде для разных веществ разная, в зависимости от связей между атомами в молекуле. Вещества с ковалентными связями имеют самую низкую растворимость, тогда как с ионными - самую высокую.

Но не всегда удаётся понять, какая величина растворимости большая, а какая маленькая. Поэтому в следующем разделе обсудим, чему равна растворимость различных веществ в воде.

Сравнение

В природе существует очень много жидких растворителей. Ещё больше существует альтернативных веществ, которые могут служить последними при достижении определённых условий, например определённого агрегатного состояния. Становится ясно, что если собирать данные о растворимости друг в друге каждой пары "растворённое вещество - растворитель", не хватит и целой вечности, потому что комбинаций получается огромное число. Поэтому так повелось, что на нашей планете универсальным растворителем и эталоном является вода. Сделали это потому, что она наиболее распространена на Земле.

Таким образом, была составлена таблица растворимости в воде для многих сотен и тысяч веществ. Все мы видели её, но в более коротком и понятном варианте. В клетках таблицы вписаны буквы, обозначающие растворимо вещество, нерастворимое или малорастворимое. Но есть более узкоспециализированные таблицы для тех, кто серьёзно разбирается в химии. Там указано точное численное значение растворимости в граммах на литр раствора.

Теперь обратимся к теории такого понятия, как растворимость.

Химия растворимости

Как происходит сам процесс растворения, мы уже разобрали в предыдущих разделах. Но вот как, например, записать это всё в виде реакции? Тут всё не так просто. Скажем, при растворении кислоты происходит реакция взаимодействия иона водорода с водой с образованием иона гидроксония H₃O⁺. Таким образом, для HCl уравнение реакции будет выглядеть так:

HCl + H₂O = H₃O⁺ + Cl^-

Растворимость солей, зависящая от их структуры, также определяется своей химической реакцией. Вид последней зависит от структуры соли и связей внутри её молекул.

Мы разобрались с тем, как записать графически растворимость солей в воде. Теперь пришла пора практического применения.

Применение

Если перечислять те случаи, когда эта величина необходима, не хватит и века. Косвенно с помощью неё можно вычислять другие величины, которые оказываются очень важными для исследования любого раствора. Без неё мы не смогли бы узнать точную концентрацию вещества, его активность, не смогли бы оценить, вылечит ли лекарство человека или убьёт (ведь в больших количествах даже вода опасна для жизни).

Кроме химической промышленности и научных целей, понимание сути растворимости необходимо ещё и в быту. Ведь иногда требуется приготовить, скажем, пересыщенный раствор какого-либо вещества. Например, это нужно для получения кристаллов соли для домашнего задания ребёнка. Зная растворимость соли в воде, мы с лёгкостью можем определить, сколько требуется её засыпать в сосуд, чтобы она начала выпадать в осадок и образовывать кристаллы от переизбытка.

Прежде чем завершить наш краткий экскурс в химию, поговорим о нескольких смежных с растворимостью понятиях.

Что ещё интересного?

На наш взгляд, если вы дошли до этого раздела, то наверняка уже поняли, что растворимость - это не просто странная химическая величина. Она является основой для других величин. И среди них: концентрация, активность, константа диссоциации, pH. И это далеко не полный список. Вы наверняка слышали хоть одно из этих слов. Без этих знаний о природе растворов, изучение которых началось с растворимости, мы уже не можем представить современную химию и физику. При чём тут физика? Иногда физики тоже имеют дело с растворами, измеряют их проводимость, используют и другие их свойства для своих нужд.

Заключение

В этой статье мы познакомились с таким химическим понятием, как растворимость. Это, наверное, была довольно полезная информация, так как большинство из нас вряд ли представляют себе глубинную суть теории растворов, не имея желания погрузиться подробно в её изучение. В любом случае очень полезно тренировать свой мозг, познавая что-то новое. Ведь всю жизнь человек должен "учиться, учиться и ещё раз учиться".