Подготовка к ЕГЭ по химии и олимпиадам
Растворимость (Р, χ или ks) – это характеристика насыщенного раствора, которая показывает, какая масса растворенного вещества может максимально раствориться в 100 г растворителя. Размерность растворимости — г/ 100 г воды. Поскольку мы определяем массу соли, которая приходится на 100 г воды, в формулу растворимости добавляем множитель 100:
здесь mр.в. – масса растворенного вещества, г
mр-ля – масса растворителя, г
Иногда используют обозначение коэффициент растворимости kS.
Задачи на растворимость, как правило, вызывают сложности, так как эта физическая величина для школьников не очень привычна.
Растворимость веществ в различных растворителях меняется в широких пределах.
В таблтце приведена растворимость некоторых веществ в воде при 20 o С:
Растворимость, г на 100 г H2O
Растворимость, г на 100 г H2O
От чего же зависит растворимость веществ? От ряда факторов: от природы растворенного вещества и растворителя, от температуры и давления. В справочных таблицах предлагается вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. Такое деление очень условное, поскольку абсолютно нерастворимых веществ нет. Даже серебро и золото растворимы в воде, однако их растворимость настолько мала, что можно пернебречь ей.
Зависимость растворимости от природы растворенного вещества и растворителя*
Растворимость твердых веществ в жидкостях зависит от структуры твердого вещества (от типа кристаллической решетки твердого вещества). Например , вещества с металлическими кристаллическими решетками (железо, медь и др.) очень мало растворимы в воде. Вещества с ионной кристаллической решеткой, как правило, хорошо растворимы в воде.
Есть замечательное правило: “подобное хорошо растворяется в подобном”. Вещества с ионным или полярным типом связи хорошо растворяются в полярных растворителях. Например , соли хорошо растворимы в воде. В то же время неполярные вещества, как правило, хорошо растворяются в неполярных растворителях.
Большинство солей щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Хорошо растворимы почти все нитраты, нитриты и многие галогениды (кроме галогенидов серебра, ртути, свинца и таллия) и сульфаты (кроме сульфатов щелочноземельных металлов, серебра и свинца). Для переходных металлов характерна небольшая растворимость их сульфидов, фосфатов, карбонатов и некоторых других солей.
Растворимость газов в жидкостях также зависит от их природы. Например, в 100 объемах воды при 20 o С растворяется 2 объема водорода, 3 объема кислорода. В тех же условиях в 1 объеме Н2О растворяется 700 объемов аммиака.
Влияние температуры на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*
Растворение газов в воде вследствие гидратации молекул растворяемого газа сопровождается выделением теплоты. Поэтому при повышении температуры растворимость газов понижается.
Температура различным образом влияет на растворимость твердых веществ в воде. В большинстве случаев растворимость твердых веществ возрастает с повышением температуры. Например , растворимость нитрата натрия NaNO3 и нитрата калия КNO3 при нагревании увеличивается (процесс растворения протекает с поглощением теплоты). Растворимость NaCl при увеличении температуры возрастает незначительно, что связано с почти нулевым тепловым эффектом растворения поваренной соли.
Влияние давления на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*
На растворимость твердых и жидких веществ в жидкостях давление практически не оказывает влияния, так как изменение объема при растворении невелико. При растворении газообразных веществ в жидкости происходит уменьшение объема системы, поэтому повышение давления приводит к увеличению растворимости газов. В общем виде зависимость растворимости газов от давления подчиняется закону У. Генри (Англия, 1803 г.): растворимость газа при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.
Закон Генри справедлив лишь при небольших давлениях для газов, растворимость которых сравнительно невелика и при условии отсутствия химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.
Влияние посторонних веществ на растворимость*
В присутствии в воде других веществ (солей, кислот и щелочей) растворимость газов уменьшается. Растворимость газообразного хлора в насыщенном водном растворе поваренной соли в 10 раз меньше. Чем в чистой воде.
Эффект понижения растворимости в присутствии солей называется высаливанием. Понижение растворимости обусловлено гидратацией солей, что вызывает уменьшение числа свободных молекул воды. Молекулы воды, связанные с ионами электролита, уже не являются растворителем для других веществ.
Примеры задач на растворимость
Задача 1. Массовая доля вещества в насыщенном растворе равна 24% при некоторой температуре. Определите коэффициент растворимости этого вещества при данной температуре.
Решение:
Для определения растворимости вещества примем массу раствора равной 100 г. Тогда масса соли равна:
Масса воды равна:
mводы = mр-ра – mр.в. = 100 — 24 = 76 г
χ = mр.в./mр-ля⋅100 = 24/76⋅100 = 31,6 г вещества на 100 г воды.
Еще несколько аналогичных задач:
2. Массовая доля соли в насыщенном растворе при некоторой температуре равна 28,5%. Определите коэффициент растворимости вещества при этой температуре.
3. Определите коэффициент растворимости нитрата калия при некоторой температуре, если массовая доля соли при этой температуре равна 0,48.
4. Какая масса воды и соли потребуется для приготовления 500г насыщенного при некоторой температуре раствора нитрата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 63,9г соли в 100г воды?
5. Коэффициент растворимости хлорида натрия при некоторой температуре составляет 36г соли в 100г воды. Определите молярную концентрацию насыщенного раствора этой соли, если плотность раствора 1,2 г/мл.
6. Какая масса соли и 5% раствора её потребуется для приготовления 450г насыщенного при некоторой температуре раствора сульфата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 439г/1000г воды?
7. Какая масса нитрата бария выделится из раствора, насыщенного при100ºС и охлаждённого до 0ºС, если во взятом растворе было 150мл воды? Коэффициент растворимости нитрата бария при температурах 0ºС и 100ºС равен соответственно 50г и 342г в 100г воды.
8. Коэффициент растворимости хлорида калия при 90ºС равен 500г/л воды. Сколько граммов этого вещества можно растворить в 500г воды при 90ºС и какова его массовая доля в насыщенном растворе при этой температуре?
9. В 500г воды растворено при нагревании 300г хлорида аммония. Какая масса хлорида аммония выделится из раствора при его охлаждении до 50ºС, если коэффициент растворимости соли при этой температуре равен 50г/л воды?
Вода – одно из главных химических соединений на нашей планете. К одному из самых интересных её свойств относится способность образовывать водные растворы. А во многих сферах науки и техники растворимость соли в воде играет немаловажную роль.
Что такое растворимость
Под растворимостью понимают способность различных веществ образовывать с жидкостями – растворителями – однородные (гомогенные) смеси. Именно объём материала, который используется для растворения и образования насыщенного раствора, обуславливает его растворимость, сопоставимую с массовой долей этого вещества или его количеством в концентрированном растворе.
По способности растворяться соли классифицируются следующим образом:
- к растворимым относятся вещества, которые можно растворить в 100 г воды больше 10 г;
- к малорастворимым принадлежат те, количество которых в растворителе не превышает 1 г;
- концентрация нерастворимых в 100 г воды меньше 0,01.
В том случае, когда полярность вещества, используемого для растворения, аналогична полярности растворителя, оно является растворимым. При разных полярностях, скорее всего, развести вещество не представляется возможным.
Как происходит растворение
Если говорить о том, растворяется ли соль в воде, то для большинства солей это справедливое утверждение. Существует специальная таблица, в соответствии с которой можно точно определить величину растворимости. Так как вода – универсальный растворитель, она хорошо смешивается с другими жидкостями, газами, кислотами и солями.
Один из самых наглядных примеров растворения твёрдого вещества в воде можно наблюдать практически каждый день на кухне, во время приготовления блюд с использованием поваренной соли. Так почему соль растворяется в воде?
Из школьного курса химии многие помнят, что молекулы воды и соли являются полярными. Это означает, что их электрические полюса противоположны, что обусловливает высокую диэлектрическую проницаемость. Молекулы воды окружают ионы другого вещества, например, как в рассматриваемом нами случае, NaCl. При этом образуется жидкость, являющаяся однородной по своей консистенции.
Влияние температуры
Существуют некоторые факторы, оказывающие влияние на растворимость солей. В первую очередь это температура растворителя. Чем она выше, тем большим является значение коэффициента диффузии частичек в жидкости, а массообмен происходит быстрее.
Хотя, например, растворимость в воде поваренной соли(NaCl) от температуры практически не зависит, поскольку коэффициент её растворимости – 35,8 при t 20° С и 38,0 при 78° С. А вот сульфат меди (CaSO4) при повышении температуры воды растворяется хуже.
К другим факторам, которые влияют на растворимость, относятся:
- Размер растворяемых частиц – при большей площади разделения фаз растворение происходит быстрее.
- Процесс перемешивания, который при интенсивном выполнении способствует более эффективному массообмену.
- Наличие примесей: одни ускоряют процесс растворения, а другие, затрудняя диффузию, снижают скорость протекания процесса.
Видео про механизм растворения соли
ПОВАРЕННАЯ СОЛЬ – хлорид натрия NaCl. Умеренно растворяется в воде, растворимость мало зависит от температуры: коэффициент растворимости NaCl (в г на 100 г воды) равен 35,9 при 20° С и 38,1 при 80° С. Растворимость хлорида натрия существенно снижается в присутствии хлороводорода, гидроксида натрия, солей – хлоридов металлов. Растворяется в жидком аммиаке, вступает в реакции обмена. Плотность NaCl – 2,165 г/см 3 , температура плавления 800,8° С, температура кипения 1465° С.
Раньше говаривали: «Соль всему голова, без соли и жито – трава»; «Один глаз на полицу (где хлеб), другой – в солоницу (солонку)», и еще: «Без хлеба не сытно, без соли не сладко». Бурятская народная мудрость гласит: «Собираясь пить чай, клади в него щепотку соли; от нее быстрее усваивается пища, исчезнут болезни желудка».
Вряд ли мы узнаем, когда впервые наши далекие предки вкусили соль: нас отделяют от них десять-пятнадцать тысяч лет. Тогда еще не было посуды для приготовления пищи, все растительные продукты люди вымачивали в воде и подпекали на тлеющих углях, а мясо, насаженное на палки, обжаривали в пламени костра. «Поваренной солью» первобытных людей наверняка была зола, которая неизбежно попадала в пищу во время ее приготовления. Зола содержит поташ – карбонат калия K2CO3, который в местах, удаленных от морей и соленых озер, долгое время служил пищевой приправой.
Возможно, однажды, за неимением пресной воды, мясо либо корни и листья растений были замочены в соленой морской или озерной воде, и еда оказалась вкуснее обычной. Может быть, добытое впрок мясо, чтобы защитить его от хищных птиц и насекомых, люди спрятали в морскую воду, а потом обнаружили, что оно приобрело приятный вкус. Наблюдательные охотники первобытных племен могли заметить, что животные любят лизать солонцы – белые кристаллы каменной соли, выступающие кое-где из-под земли, и попробовали добавлять соль в пищу. Могли быть и другие случаи первого знакомства людей с этим удивительным веществом.
Чистая поваренная соль, или хлорид натрия NaCl – бесцветное негигроскопичное (не поглощающее влагу из воздуха) кристаллическое вещество, растворимое в воде и плавящееся при 801° С. В природе хлорид натрия встречается в виде минерала галита – каменной соли. Слово «галит» происходит от греческого «галос», означающего и «соль», и «море». Основная масса галита чаще всего находится на глубине 5 км под поверхностью земли. Однако давление слоя горных пород, расположенных над пластом соли, превращает ее в вязкую, пластичную массу. «Всплывая» в местах пониженного давления кроющих пород, пласт соли образует соляные «купола», выходящие в ряде мест наружу.
Природный галит редко бывает чисто белого цвета. Чаще он буроватый или желтоватый из-за примесей соединений железа. Встречаются, но очень редко, кристаллы галита голубого цвета. Это означает, что они долгое время в глубинах земли находились по соседству с породами, содержащими уран, и подверглись радиоактивному облучению.
В лаборатории тоже можно получить синие кристаллы хлорида натрия. Для этого не потребуется облучения; просто в плотно закрытом сосуде надо нагреть смесь поваренной соли NaCl и небольшого количества металлического натрия Na. Металл способен растворяться в соли. Когда атомы натрия проникают в кристалл, состоящий из катионов Na + и анионов Cl – , они «достраивают» кристаллическую решетку, занимая подходящие места и превращаясь в катионы Na + . Освободившиеся электроны располагаются в тех местах кристалла, где полагалось бы находиться хлорид-анионам Cl –? . Такие необычные места внутри кристалла, занятые электронами вместо ионов, называют «вакансиями».
При охлаждении кристалла некоторые вакансии объединяются, это и служит причиной появления синей окраски. Кстати, при растворении в воде синего кристалла соли образуется бесцветный раствор – совсем как из обычной соли.
Греческий поэт Гомер (VIII в. до н.э.), написавший Илиаду и Одиссею, называл поваренную соль «божественной». В те времена она ценилась выше золота: ведь, как гласила пословица, «без золота прожить можно, а без соли — нельзя». Из-за месторождений каменной соли происходили военные столкновения, а иногда нехватка соли вызывала «соляные бунты».
На столах императоров, царей, королей и шахов стояли солонки из золота, и заведовал ими особо доверенный человек — солоничий. Воинам часто платили жалованье солью, а чиновники получали солевой паек. Как правило, соляные источники были собственностью властителей и коронованных особ. В Библии есть выражение «пьет соль от дворца царского», означающее человека, получающего содержание от царя.
Соль издавна была символом чистоты и дружбы. «Вы – соль земли» – говорил Христос своим ученикам, имея в виду их высокие нравственные качества. Соль употреблялась при жертвоприношениях, новорожденных детей у древних евреев посыпали солью, а в католических церквах при крещении в ротик младенца клали кристаллик соли.
В обычае арабов было при утверждении торжественных договоров подавать сосуд с солью, из которого в знак доказательства и гарантии постоянной дружбы лица, заключившие договор – «завет соли» – съедали по несколько ее крупинок. «Съесть вместе пуд соли» – у славян значит хорошо узнать друг друга и подружиться. По русскому обычаю, когда подносят гостям хлеб-соль, то тем самым желают им здоровья.
Поваренная соль – не только пищевой продукт, но издавна распространенный консервант, ее применяли при обработке кожевенного и мехового сырья. А в технике она до сих пор является исходным сырьем для получения практически всех соединений натрия, в том числе соды.
Поваренная соль входила и в состав самых древних лекарств, ей приписывали целебные свойства, очищающее и дезинфицирующее действие, причем с давних пор подмечено, что поваренная соль разных месторождений имеет разные биологические свойства: самая в этом отношении полезная – морская. В Лечебнике-травнике, изданном в России в 17 в., написано: «Две сути соли, одну копали из горы, а другую находили в море, а которая из моря, та лутчи, а кроме морской соли та лутчи, которая бела».
Однако в употреблении соли надо соблюдать меру. Известно, что средний европеец ежедневно поглощает с пищей до 15 г соли, в то время как средний японец – около 40 г. Как раз японцы и держат мировое первенство по числу больных гипертонией – болезнью, одна из причин которой состоит в том, что в организме задерживается больше жидкости, чем ему необходимо. Клетки разбухают от ее излишка, сжимают кровеносные сосуды, поэтому повышается кровяное давление, от чего и сердце начинает работать с перегрузкой. Трудно становится и почкам, очищающим организм от избытка катионов натрия.
Ни одно растение не может расти на почве, покрытой солью, солончаки всегда были символом земли бесплодной и необитаемой. Когда властитель Священной Римской империи Фридрих I Барбаросса разрушил в 1155 Милан в Италии, то велел посыпать руины поверженного города солью в знак его полного уничтожения. У разных народов во все времена рассыпать соль значило накликать беду и потерять здоровье.
В древности люди использовали несколько способов добычи поваренной соли: естественное испарение морской воды в «соляных садках», где выпадал хлорид натрия NaCl – «морская» соль, вываривание воды соленых озер с получением «выварочной» соли, и выламывание «каменной» соли в подземных рудниках. Все эти способы дают соль с примесями хлорида магния MgCl2·6 H2O, сульфатов калия K2SO4 и магния MgSO4·7H2O и бромида магния MgBr2·6H2O, содержание которых достигает 8–10 %.
В морской воде в среднем на 1 л приходится до 30 г различных солей, на долю поваренной соли приходится 24 г. Технология получения хлорида натрия NaCl из морской и озерной воды всегда была довольно примитивной.
Например, в конце «бронзового века» – за три, три с половиной тысячи лет до нашей эры – древние солевары обливали бревна морской водой, а потом сжигали их и из золы выбирали соль. Позднее соленые воды стали выпаривать на больших противнях, а для удаления примесей добавляли кровь животных, собирая образующуюся пену. Примерно с конца 16 в. растворы соли очищали и концентрировали, пропуская через башни, заполненные соломой и ветками кустарников. Выпаривание раствора соли на воздухе производили и совсем примитивным способом, сливая рассол по стене, сложенной из связок хвороста и соломы.
Солеварение, старейшее из химических ремесел, возникло на Руси, по-видимому, в начале 7 века. Соляные промыслы принадлежали монахам, которым благоволили русские цари, с них даже не взимался налог на продаваемую соль. Выварка соли приносила монастырям огромные прибыли. Рассолы добывали не только из озер, но и из подземных соляных источников; буровые скважины, которые для этого строили, в 15 в. достигали длины 60–70 м. В скважины опускали трубы, изготовленные из цельного дерева, а упаривали рассолы в железных противнях на дровяной топке. В 1780 в России таким способом было выварено более ста тысяч тонн соли…
В настоящее время поваренную соль добывают из отложений соляных озер и на месторожденияхкаменной соли – галита.
Поваренная соль – не только важная пищевая приправа, но и химическое сырье: из нее получают гидроксид натрия, соду, хлор.
Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения, 2-е изд. М., Химия, 1995
Лидин Р.А. и др. Химические свойства неорганических веществ: Учеб. пособие для вузов / Р.А. Лидин, В.А. Молочко, Л.Л.Андреева; под ред. Р.А.Лидина. М., Химия, 1996
Аликберова Л.Ю. Занимательная химия: Книга для учащихся, учителей и родителей. М., АСТ-ПРЕСС, 1999
Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю., Рукк Н.С. Домашняя химия. Химия в быту и на каждый день. М., РЭТ, 2001