Что показывают кривые растворимости

Что показывают кривые растворимости

§ 9. Диаграмма растворимости

Растворимость большинства твердых веществ возрастает с повышением температуры. Зависимость растворимости твердого вещества от температуры можно изобразить в виде диаграммы растворимости (рис. 4).

Кривая растворимости ABC на такой диаграмме отвечает фазовому равновесию:

кристаллы насыщенный раствор

Ниже кривой растворимости находится область ненасыщенных растворов. Растворы, состав которых отвечает этой области, способны и дальше растворять данное вещество. В частности, при добавлении кристаллов вещества к его раствору, состав которого отвечает точке К (рис. 4), будет происходить растворение кристаллов при постоянной температуре Т₂ с увеличением концентрации раствора от точки К до точки В. При добавлении кристаллов растворенного вещества при данной температуре к его насыщенному раствору (например, отвечающему т. В на диаграмме), концентрация вещества в растворе останется прежней. Все добавленное количество вещества осядет на дно сосуда, в котором находится насыщенный раствор с осадком.

При нагревании насыщенного раствора от температуры Т₂ до температуры Т₃ кристаллы, находящиеся в равновесии с раствором, начнут растворяться, и точка В станет передвигаться вверх по кривой растворимости до тех пор, пока не будет достигнута температура кипения насыщенного раствора.

Значения температуры кипения насыщенных растворов зависят от природы растворителя и растворенного вещества и внешнего давления. Например, температура кипения насыщенного раствора NaCl (39,7 г в 100 г H₂O) при атмосферном давлении равна 109 °С, а температура кипения насыщенного раствора KI (221 г в 100 г H₂O) равна 118 °С.

При осторожном, без встряхивания и перемешивания, охлаждении раствора состава, отвечающего точке D (от T₃ до T₁), концентрация вещества в растворе не изменяется до тех пор, пока не будет достигнута точка Е, отвечающая эксперимеентально достижимой границе метастабильной области пересыщенных растворов (т.е. области неустойчивого термодинамического равновесия). В этой точке внезапно начинается кристаллизация вещества. Она будет продолжаться даже в том случае, если прекратить охлаждение, при этом уменьшение концентрации вещества в растворе будет происходить по кривой EF. В точке А кристаллизация прекращается, так как раствор становится насыщенным.

Кристаллизация в пересыщенном растворе может начаться и спонтанно. Некоторые спонтанно возникшие в пересыщенном растворе зародыши становятся центрами кристаллизации, которые постепенно увеличиваются в размерах, превращаясь в мельчайшие кристаллы. Эти кристаллы продолжают дальше расти, уменьшая пересыщение раствора. Чем больше абсолютное пересыщение раствора, тем больше вероятность превращения зародыша в центр кристаллизации вещества, тем интенсивнее будет проходить кристаллизация.

Граница области метастабильных растворов (кривая EG, рис. 4) для одного и того же вещества не является строго определенной, линией, ее положение зависит от многих факторов: наличия в растворе механических примесей, шероховатости стенок сосуда, внешних вибраций и т. п. При интенсивном перемешивании охлаждаемого раствора кристаллизация вещества всегда начинается сразу же при пересечении кривой растворимости в точке В.

Растворимость твердых веществ в жидкостях не всегда увеличивается при нагревании раствора. Известны вещества, растворимость которых, например, в воде при увеличении температуры либо почти не изменяется, либо падает. Очевидно, такие свойства веществ связаны с тепловыми явлениями, сопровождающими образование растворов.

Кривые растворимости кристаллогидратов в воде имеют сложную форму. Точки пересечения ветвей кристаллизации на кривых растворимости кристаллогидратов в воде отвечают изменениям состава твердых фаз, находящихся в равновесии с раствором (рис. 5).

Рис. 5. Диаграммы (политермы) растворимости в воде для разных солей

Кристаллизация является одним из наиболее распространенных методов получения веществ в чистом виде. Для удаления примесей из технических продуктов широко используется перекристаллизация из водного раствора. Для этого, если растворимость растет с температурой, растворяют вещество в минимальном количестве воды при возможно более высокой температуре, отделяют механические примеси путем фильтрования или отстаивания, а затем, охлаждая раствор, вызывают кристаллизацию очищенного вещества.

Наиболее эффективен этот метод в том случае, когда растворимость сильно меняется при изменении температуры. Однако даже в этом случае при помощи однократной кристаллизации удалить большинство примесей, находящихся в веществе, удается редко. Подробнее о перекристаллизации см. параграф 11.

Источник

Растворимость

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит содержание в насыщенном растворе. Потому численно растворимость может быть выражена теми же способами, что и состав, например, процентным отношением массы растворенного вещества к массе насыщенного раствора или количеством растворенного вещества, содержащимся в 1 литре насыщенного раствора. Часто растворимость выражают также числом единиц массы безводного вещества, насыщающего при данных условиях 100 единиц массы раствора. Иногда выраженную этим способом растворимость называют коэффициентом растворимости. Если в 100 г воды растворяется более 100 г вещества, то такое вещество принято называть хорошо растворимым. А если растворяется менее 1 г вещества – малорастворимым. И, наконец, практически нерастворимым, если в раствор переходит менее 0,01 г вещества.

Принципы, позволяющие предсказать растворимость веществ, пока неизвестны. Однако обычно вещества, состоящие из полярных молекул, и вещества с ионным типом связи лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, жидкий аммиак). И наоборот.

Растворение большинства твёрдых тел сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решётки твёрдого тела, что обычно не полностью компенсируется энергией, выделяющейся при образовании гидратов (сольватов). Прилагая принцип Ле Шателье к равновесию между веществом в кристаллическом состоянии и его насыщенным раствором

Кристалл + Растворитель Насыщенный раствор Q,

приходим к выводу, что в тех случаях, когда вещество растворяется с поглощением энергии, повышение температуры должно приводить к увеличению его растворимости. Если же, однако, энергия гидратации (сольватации) достаточно велика, чтобы образование раствора сопровождалось выделением энергии, растворимость с ростом температуры понижается. Это происходит, например, при растворении в воде щелочей, многих солей лития, магния, алюминия.

Зависимость между растворимостью и температурой очень удобно изображать графически – в виде кривых растворимости. При построении кривой растворимости откладывают на горизонтальной оси температуру, а на вертикальной – растворимость вещества при соответствующей температуре. На рис. 1 приведено несколько характерных кривых растворимости.

Как видно из рис. 1, растворимость увеличивается при повышении температуры очень медленно, а — очень быстро.

Рис.1. Кривые растворимости (г/100г )

с безводным . Резкое изменение хода кривой показывает, что растворимость обоих веществ существенно различна. То же наблюдается и для кристаллогидратов с различным содержанием воды: каждый из них имеет свою характерную для него растворимость.

При растворении твердых тел в воде объем системы обычно изменяется незначительно. Поэтому растворимость веществ, находящихся в твердом состоянии, практически не зависит от деления.

Жидкости также могут растворяться в жидкостях. Некоторые из них неограниченно растворимы одна в другой, т.е. смешиваются друг с другом в любых пропорциях, как, например, спирт и вода, другие – взаимно растворяются лишь до известного предела. Т.е. если взболтать диэтиловый эфир с водой, то образуются 2 слоя: верхний представляет собой насыщенный раствор воды в эфире, а нижний – насыщенный раствор эфира в воде. В большинстве подобных случаев с повышением температуры взаимная растворимость жидкостей увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута температура, при которой обе жидкости смешиваются в любых пропорциях.

Растворение газов в воде представляет собой экзотермический процесс. Поэтому растворимость газов с повышением температуры уменьшается. Если оставить в теплом помещении стакан с холодной водой, то внутренние стенки его покрываются пузырьками. Это воздух, который был растворен в воде. Он выделяется из нее вследствие нагревания. Кипячением можно удалить из воды весь растворенный в ней воздух.

Однако растворение газов в органических жидкостях нередко сопровождается поглощением теплоты; в подобных случаях с ростом температуры растворимость газа увеличивается.

При растворении газа в жидкости устанавливается равновесие:

Газ + Жидкость Насыщенный раствор газа в жидкости

При этом объем системы существенно уменьшается. Следовательно, повышение давления должно приводить к смещению равновесия вправо, т.е. к увеличению растворимости газа.

Источник

Понятие о растворах. Растворимость веществ

Растворы — гомогенные (однородные) системы переменного состава, которые содержат два или несколько компонентов.

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ (газообразных, жидких, твердых):

Жидкие растворы могут быть водные и неводные. Водные растворы — это растворы, в которых растворителем является вода. Неводные растворы — это растворы, в которых растворителями являются другие жидкости (бензол, спирт, эфир и т. д.). На практике чаще применяются водные растворы.

Растворение веществ

Растворение — сложный физико-химический процесс. Разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворителя — это физический процесс. Одновременно происходит взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества, т.е. химический процесс. В результате этого взаимодействия образуются сольваты.

Сольваты — продукты переменного состава, которые образуются при химическом взаимодействии частиц растворенного вещества с молекулами растворителя.

Если растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидратами. Процесс образования сольватов называется сольватацией. Процесс образования гидратов называется гидратацией. Гидраты некоторых веществ можно выделить в кристаллическом виде при выпаривании растворов. Например:

Что представляет собой и как образуется кристаллическое вещество синего цвета? При растворении в воде сульфата меди (II) происходит его диссоциация на ионы:

Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды:

При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат сульфата меди (II) — CuSО₄ • 5Н₂О.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами. Вода, входящая в их состав, называется кристаллизационной водой. Примеры кристаллогидратов:

Впервые идею о химическом характере процесса растворения высказал Д. И. Менделеев в разработанной им химической (гидратной) теории растворов (1887 г.). Доказательством физико-химического характера процесса растворения являются тепловые эффекты при растворении, т. е. выделение или поглощение теплоты.

Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эффектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический — с выделением.

Если в результате гидратации (сольватации) выделяется больше теплоты, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества, то растворение — экзотермический процесс. Выделение теплоты наблюдается, например, при растворении в воде таких веществ, как NaOH, AgNО₃, H₂SО₄, ZnSО₄ и др.

Если для разрушения структуры вещества необходимо больше теплоты, чем ее образуется при гидратации, то растворение — эндотермический процесс. Это происходит, например, при растворении в воде NaNО₃, KCl, K₂SO₄, KNO₂, NH₄Cl и др.

Растворимость веществ

Мы знаем, что одни вещества хорошо растворяются, другие — плохо. При растворении веществ образуются насыщенные и ненасыщенные растворы.

Насыщенный раствор — это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при данной температуре.

Ненасыщенный раствор — это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.

Количественной характеристикой растворимости является коэффициент растворимости. Коэффициент растворимости показывает, какая максимальная масса вещества может раствориться в 1000 мл растворителя при данной температуре.

Растворимость выражают в граммах на литр (г/л).

По растворимости в воде вещества делят на 3 группы:

Таблица растворимости солей, кислот и оснований в воде:

Растворимость веществ зависит от природы растворителя, от природы растворенного вещества, температуры, давления (для газов). Растворимость газов при повышении температуры уменьшается, при повышении давления — увеличивается.

Зависимость растворимости твердых веществ от температуры показывают кривые растворимости. Растворимость многих твердых веществ увеличивается при повышении температуры.

По кривым растворимости можно определить: 1) коэффициент растворимости веществ при различных температурах; 2) массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t₁ o C до t₂ o C.

Процесс выделения вещества путем испарения или охлаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией. Перекристаллизация используется для очистки веществ.

Источник

Факторы растворимости

Растворимость

Растворимость — это свойство вещества образовывать с различными растворителями гомогенные смеси. Количество растворяемого вещества, необходимое для получения насыщенного раствора и определяет растворимость этого вещества.

В связи с этим растворимость имеет ту же меру, что и состав, например, массовая доля растворенного вещества в его насыщенном растворе или количество растворенного вещества в его насыщенном растворе.

Все вещества с точки зрения его растворимости можно классифицировать на:

Известно, что если полярность растворяемого вещества схожа с полярностью растворителя, то оно скорее всего растворится. Если же полярности разные, то с большой долей вероятности раствора не получится. Почему же так происходит?

Процесс растворения

Полярный растворитель – полярное растворяемое вещество.

Для примера опишем раствор поваренной соли в воде. Как мы уже знаем, молекулы воды имеют полярную природу с частичным положительным зарядом на каждом атоме водорода и частичным отрицательным – на атоме кислорода. А твердые ионные вещества, вроде хлорида натрия, содержат катионы и анионы. Поэтому, когда поваренную соль помещают в воду, частичный положительный заряд на атомах водорода молекул воды притягивается отрицательно заряженным ионом хлора в NaCl. Аналогично, частичный отрицательный заряд на атомах кислорода молекул воды притягивается положительно заряженным ионом натрия в NaCl. И, поскольку притяжение молекул воды для ионов натрия и хлора сильнее взаимодействия, удерживающего их вместе, соль растворяется.

Неполярный растворитель – неполярное растворяемое вещество.

Попробуем растворить кусочек тетрабромида углерода в тетрахлориде углерода. В твердом состоянии молекулы тетрабромида углерода удерживаются вместе благодаря очень слабому дисперсионному взаимодействию. При помещению его в тетрахлорид углерода его молекулы будут располагаться более хаотично, т.е. увеличивается энтропия системы и соединение растворится.

Равновесия при растворении. Произведение растворимости

Рассмотрим раствор малорастворимого соединения. Для того, чтобы между твердым веществом и его раствором установилось равновесие, раствор должен быть насыщенным и соприкасаться с нерастворившейся частью твердого вещества.

Например, предположим, что равновесие установилось в насыщенном растворе хлорида серебра:

AgCl(тв)=Ag + (водн.) + Cl — (водн.)

Рассматриваемое соединение является ионным и в растворенном виде присутствует в виде ионов. Нам уже известно, что в гетерогенных реакциях концентрация твердого вещества остается постоянной, что позволяет включить ее в константу равновесия. Поэтому выражение для константы равновесия будет выглядеть следующим образом:

K = [Ag + ][ Cl — ]

Такая константа называется произведением растворимости ПР, при условии, что концентрации выражаются в моль/л.

ПР = [Ag + ][ Cl — ]

Произведение растворимости равно произведению молярных концентраций ионов, участвующих в равновесии, в степенях, равных соответствующим стехиометрическим коэффициентам в уравнении равновесия.

Следует отличать понятие растворимости и произведения растворимости.

Растворимость вещества может меняться при добавлении в раствор еще какого-либо вещества, а произведение растворимости не зависит от присутствия в растворе дополнительных веществ. Хотя эти две величины взаимосвязаны, что позволяет зная одну величину, вычислить другую.

Зависимость растворимости от температуры и давления

Вода играет важную роль в нашей жизни, она способна растворять большое количество веществ, что имеет большое значение для нас. Поэтому основное внимание уделим именно водным растворам.

Влияние давления на растворимость

Растворимость газов повышается при росте давления газа над растворителем, а растворимость твердых и жидких веществ зависит от давления несущественно.

Уильям Генри впервые пришел к выводу, что

количество газа, которое растворяется при постоянной температуре в заданном объеме жидкости, прямо пропорциональна его давлению.

Данное утверждение известно как закон Генри и выражается оно следующим соотношением:

С = k·P,

где С – растворимость газа в жидкой фазе

Р – давление газа над раствором

k – постоянная Генри

Влияние температуры на растворимость

На следующем рисунке приведены кривые зависимости растворимости некоторых газов в воде от температуры при постоянном давлении газа над раствором (1 атм)

Как видно, растворимость газов уменьшается с ростом температуры, в отличие от большинства ионных соединений, растворимость которых растет с увеличением температуры.

Влияние температуры на растворимость зависит от изменения энтальпии, которое происходит при процессе растворения. При протекании эндотермического процесса происходит увеличение растворимости с ростом температуры.

Это следует из уже известного нам принципа Ле – Шателье: если изменить одно из условий, при котором система находится в состоянии равновесия – концентрацию, давление или температуру, — то равновесие сместится в направлении той реакции, которая противодействует этому изменению.

Представим, что мы имеем дело с раствором, находящимся в равновесии с частично растворившимся веществом. И этот процесс является эндотермическим, т.е. идет с поглощением теплоты из вне, тогда:

Вещество + растворитель + теплота = раствор

Согласно принципу Ле – Шателье, при эндотермическом процессе, равновесие смещается в направлении, способствующее уменьшению поступления теплоты, т.е. вправо. Таким образом, растворимость увеличивается.

Если же процесс экзотермический, то повышение температуры приводит к уменьшению растворимости.

Далее на рисунке показаны зависимости растворимости некоторых ионных соединений от температуры.

Известно, что существуют растворы жидкостей в жидкостях. Некоторые из них могут растворяться друг в друге в неограниченных количествах, как вода и этиловый спирт, а другие — растворяются лишь частично.

Так, если попробовать растворить четыреххлористый углерод в воде, то при этом образуются два слоя: верхний — насыщенный раствор воды в четыреххлористом углероде и нижний — насыщенный раствор четыреххлористого углерода в воде.

При повышении температуры, в основном, взаимная растворимость таких жидкостей увеличивается. Это происходит до тех пор, пока не будет достигнута критическая температура, при которой обе жидкости смешиваются в любых пропорциях. От давления растворимость жидкостей практически не зависит.

При вводе в смесь, состоящую из двух несмешивающихся между собой жидкостей, вещества, которое может растворяться в любой из этих двух жидкостей, его распределение между этими жидкостями будет пропорционально растворимости в каждой из них.

Согласно закону распределения вещество, способное растворяться в двух несмешивающихся растворителях, распределяется между ними так, что отношение его концентраций в этих растворителях при постоянной температуре остается постоянным, независимо от общего количества растворенного вещества:

где С₁ и С₂ – концентрации вещества в двух жидкостях

Источник