Механізм утворення розчинів
Розчини займають проміжне положення між механічними сумішами речовин та індивідуальними хімічними сполуками, володіючи певними властивостями тих і інших систем, і в той же час значно відрізняючись від кожної з них.
Так, в порівнянні зі сумішами, розчини є більш однорідними і в будь-якій своїй частині мають однакові фізичні властивості та хімічний склад, як і індивідуальні сполуки.
У той же час багато речовин у розчинах, як і в механічних сумішах, зберігають незмінними частину властивостей, властивих їм у чистому вигляді. На відміну від індивідуальних сполук розчини мають змінний склад і відрізняються природою зв'язку між своїми структурними одиницями. Якщо для хімічних речовин характерні ковалентні та іонні зв'язки, то в розчинах між їх компонентами присутні слабші диполь-дипольні, іон-дипольні або ван-дер-ваальсові взаємодії, а в деяких випадках – водневі зв'язки та донорно-акцепторні взаємодії.
Таким чином, процес розчинення не можна розглядати як простий механічний розподіл однієї речовини в іншій.
При розчиненні має місце фізико-хімічна взаємодія речовини, що розчиняється, з молекулами розчинника, в результаті якого руйнується його вихідна структура і відбувається утворення нової структури, властивої розчину. При цьому розрізняютьфізичну та хімічну стадії розчинення речовини, які протікають одночасно.
Д
Воістину великий вчений. Ні, здається, жодної галузі хімії, в яку б він не зробив свій внесок. Найбільш відомі його роботи, крім періодичного закону, це відкриття температури абсолютного кипіння (критичної точки),розробка фізико-хімічної (гідратної) теорії розчинів, формулювання узагальненого газового закону. Ще однією головною справою свого життя Д. І. Менделєєв вважав підручник "Основи хімії".
На фізичній стадії відбувається процес подрібнення (диспергування) речовини, що розчиняється, до окремих молекул або іонів та їх рівномірний розподіл у всьому обсязі розчину. Здійснюється він за рахунок дії молекул розчинника на речовину та протікання процесу дифузії.
У цьому стадії енергія завжди витрачається, т.к. вона необхідна для розриву зв'язків у кристалічних ґратах твердої речовини або міжмолекулярних зв'язків при розчиненні рідини.
Покажемо механізм цього процесу на прикладі розчинення в Н2О солі KCl, що має іонну кристалічну решітку (рис. 18).
Диполі розчинника орієнтуються відповідним чином щодо іонів кристалічних грат на її поверхні і в результаті свого теплового руху і коливального руху іонів послідовно виривають їх з вузлів грати і переводять в розчин.
Чим міцніше зв'язки в кристалічній решітці, тим більше енергії потрібно витратити на її руйнування. Міжмолекулярні зв'язки у рідинах, як правило, слабші, ніж у твердих речовинах, тому при їх розчиненні енергії витрачається набагато менше. У газах молекули практично не пов'язані між собою, тому на фізичній стадії їх розчинення енергія не витрачається.
Мал. 18. Механізм розчинення іонної сполуки (KCl) у воді
На хімічній стадії розчиненнявідбувається взаємодія частинок розчиненої речовини (молекул або іонів) з молекулами розчинника і утворюються хімічні сполуки:гідрати(якщо в ролі розчинника виступає Н2О) абосольвати(якщорозчинником виступає будь-яка інша рідина).
Залежно від природи розчиненої речовини сольвати (гідрати) можуть утворюватися як у результаті фізичних взаємодій: іон-дипольної (при розчиненні речовин з іонною структурою) та диполь-дипольної (при розчиненні речовин з молекулярною структурою), так і хімічних.
Хімічні взаємодії здійснюються з допомогою утворення донорно-акцепторних зв'язків. У цьому іони розчиненої речовини є акцепторами, а молекули розчинника (Н2О,NH3) – донорами електронних пар. Гідрати, що утворюються таким чином, називаються інакшеаквакомплексами: [Cu(H2O)6] 2+ , [Al(Н2О)6] 3+ . Їхнє утворення в розчинах часто супроводжується зміною забарвлення. Так, розчинення безводного мідь(II)-сульфату білого кольору призводить до появи інтенсивного блакитного забарвлення. Гідратні оболонки полярних молекул органічних сполук з'являються внаслідок утворення водневих зв'язків між їх функціональними групами та молекулами води.
Внаслідок утворення гідратів (сольватів) при розчиненні багатьох речовин має місцеконтрактація– стиск об'єму системи через її самоущільнення (особливо у разі концентрованих розчинів). При цьому обсяг розчину, що вийшов, буде менше суми обсягів розчинника і розчиняється речовини (якщо тільки останнє не є газом).
Утворення гідратних (сольватних) оболонок завжди супроводжується виділенням енергії. При гідратації іонів кількість енергії, що виділилася і кількість утримуваних молекул води залежать від величини їх заряду і радіусу.
Чим більший заряд іона і менше його радіус, тим більша кількість енергії виділяється, і тим стійкішою буде гідратна оболонка, що утворилася (рис. 19).
Мал. 19. Залежність розмірів гідратних оболонок іонів від величини їхнього радіусу
Якщо речовина в розчині знаходиться у вигляді молекул, то кількість енергії, що виділяється при гідратації енергії пропорційно полярності його молекул.
В ході теплового руху частки розчиненої речовини в розчині переміщуються разом зі своїми гідратними (сольватними) оболонками, які становлять одне ціле.
У більшості випадків гідратні (сольватні) оболонки, що утворилися, є неміцними і легко руйнуються вже при слабкому нагріванні або при випаданні речовин з розчину. Але іноді гідратні сполуки настільки стійкі, що випадають з розчину у вигляді кристалів, які називаються інакше кристаламидратами, а що міститься в них Н2О – кристалічної .
У хімічних формулах кристалогідратів молекули Н2О пишуться через точку (табл. 5). З цих формул видно, скільки молекул Н2О оточують одну молекулу речовини.
Таблиця 5.Формули та тривіальні назви кристалогідратів