Тема : "Розчинення як фізико-хімічний процес. Теплові явища, що супроводжують розчинення речовин. Кристалогідрати".

Мета: навчитися доводити фізико-хімічну сутність процесу розчинення, пояснювати причини теплових явищ, які супроводжуют процес розчинення; сформувати поняття про кристалогідрати".

Подивися відео, вивчи теорію.

Відео: Т. Базавлук.

Процес розчинення речовин

— Я сьогодні ранком розмішував цукор у склянці з чаєм і спостерігав як він поступово зникає — розчиняється. Цікаво, як це можна пояснити?

ЯК ЖЕ ВІДБУВАЄТЬСЯ РОЗЧИНЕННЯ РЕЧОВИН?

Для цього поспостерігаємо, наприклад, як розчиняється доданий у чай цукор. Потрапляючи у воду, молекули цукру, які перебувають на поверхні кристалів цукру, утворюють із молекулами води міжмолекулярні водневі зв’язки. При цьому з однією молекулою цукру зв’язується кілька молекул води. Цей процес називають гідратацією. Тепловий рух молекул води змушує пов’язані з ними молекули цукру відриватися від кристала, і вони переходять у розчинник (рис. 19).

При цьому молекули цукру продовжують бути з’єднаними з молекулами води, тобто вони є гідратованими. Ще говорять, що утворюються гідрати (рис. 20).

Гідрати не мають постійного складу, число молекул води в їхньому складі може змінюватися.

Молекули цукру, які перейшли з кристала в розчин, можуть пересуватися по всьому об’єму розчину разом із молекулами води завдяки тепловому руху. Це явище називають дифузією (рис. 21).

Дифузія відбувається повільно, тому біля поверхні кристалів є надлишок уже відірваних від кристала молекул цукру, але які ще не дифундували в розчин.

Вони заважають новим молекулам води підійти до поверхні кристала, щоби зв’язатися з його молекулами водневими або іншими міжмолекулярними зв’язками. Якщо розчин перемішувати, то дифузія відбувається інтенсивніше, а розчинення цукру — швидше. Гідратовані молекули цукру розподіляються рівномірно, і розчин стає однаково солодким по всьому об’єму.

Однак розчинення речовин із молекулярною будовою може відбуватися по-різному. Якщо молекули полярні, то під час розчинення можливий їх розпад на йони. Наприклад, так відбувається під час розчинення гідроген хлориду у воді. Якщо молекули неполярні, то розпаду на йони не відбувається.

Так само відбувається розчинення речовин з йонною структурою. Тільки в цьому випадку диполі води притягуються до йонів у кристалічних ґратках, утворюються гідратовані йони, які переходять у розчин.

У водному розчині молекули (або йони) гідратовані.

Під час розчинення можливе навіть утворення нових речовин. Так, наприклад, під час розчинення вуглекислого газу у воді утворюється слабкий розчин карбонатної кислоти.

Терміни «гідратація», «гідрати» застосовують тільки до водних розчинів. Загальна назва розчинників — сольвенти. Тому для інших розчинників використовують терміни: процес сольватації, сольватовані молекули або йони.

ТЕПЛОВІ ЯВИЩА, ЯКІ СУПРОВОДЖУЮТЬ РОЗЧИНЕННЯ РЕЧОВИН

Під час приєднання молекул води до молекул або йонів розчиненої речовини виділяється певна кількість енергії. Ця енергія гідратації витрачається на руйнування кристалічних ґраток речовини. Але кількість виділеної й витраченої енергії зовсім не обов’язково однакова. Точніше, майже ніколи ці енергії не бувають рівними. Можливі варіанти:

1) Енергії, яка виділяється під час гідратації, більше, ніж потрібно для руйнування кристалічних ґраток розчиненої речовини. Куди дінеться надлишок? Він буде виділятися у вигляді теплової енергії, і розчин нагріватиметься.

Лабораторний дослід

«Нагрівання розчину під час розчинення»

У склянку з водою помістимо 2-3 гранули натрій гідроксиду (обережно!). Перемішаємо розчин скляною паличкою. Визначимо зміну температури з допомогою термометра.

Розчини сильно нагріваються під час розчинення концентрованої сульфатної кислоти й інших речовин.

Мозковий штурм

Чому потрібно вливати концентровану сульфатну кислоту у воду, але не можна вливати воду в кислоту?

2) Енергії, яка виділяється під час гідратації, менше, ніж потрібно для руйнування кристалічних ґраток речовини, яка розчиняється. Проте розчинення відбувається. Звідки ж береться необхідна енергія? У процесі розчинення витрачається теплова енергія з розчину, і температура розчину знижується. Це відбувається під час розчинення, наприклад, амоній нітрату NH₄NO₃, натрій нітрату.

Дослід «Охолодження розчину під час розчинення»

У склянку з водою додамо трохи амоній нітрату NH₄NO₃ і ретельно перемішаємо. Можна доторкнутися до склянки й переконатися, що вона стала холодною, а можна виміряти температуру розчину.

РОЗЧИНЕННЯ ЯК ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ ПРОЦЕС

Які процеси відбуваються під час розчинення речовин — фізичні чи хімічні? Розглянемо детальніше.

З одного боку, речовини під час розчинення не змінюються, після випарювання розчинів ми можемо одержати розчинену речовину у твердому стані. Під час розчинення руйнується кристалічна ґратка розчиненої речовини, і її частинки переміщаються в розчині, отже, розчинення — це фізичний процес. Як було вже зазначено, для здійснення такого процесу необхідно витратити енергію.

З іншого боку, коли молекули розчиненої речовини зв’язуються з молекулами води водневими зв’язками, то фактично утворюються нові хімічні сполуки — гідрати. При цьому виділяється або поглинається енергія. У 7 класі ви вивчали, що однією з ознак хімічних реакцій якраз є теплові явища. Треба сказати, що гідратовані йони можуть за властивостями відрізнятися від негідратованих. Таким чином, розчинення має ознаки хімічного процесу.

Процес розчинення — складний процес, у якому присутні й фізичні, і хімічні явища, тобто це фізико-хімічний процес. Висновок:

Підсумки

• 1. Процес розчинення речовин у воді вважають фізико-хімічним.

• 2. Під час розчинення речовин, з одного боку, енергія витрачається на розрив зв'язків між молекулами чи йонами речовини, що розчиняється, а з другого боку, енергія виділяється за рахунок взаємодії частинок розчиненої речовини з молекулами розчинника. Тепловий ефект є результатом цих двох процесів.

• 3. Якщо на розрив зв'язків речовини, що розчиняється, витрачається більше енергії, ніж виділяється в разі взаємодії цих частинок з молекулами розчинника, розчин буде охолоджуватися (амоній нітрат NH₄NO₃, калій нітрат KNO₃, амоній хлорид NH₄Cl, калій хлорид КСl, калій сульфат K₂SO₄ тощо).

• 4. Якщо взаємодія частинок розчинної речовини з молекулами розчинника супроводжується виділенням енергії, значно більшим, ніж потрібно на розрив зв'язків між частинками речовини, що розчиняється, то розчин буде розігріватись (луги, сульфатна кислота H₂SO₄ тощо).

Контрольні запитання

• 1. Опишіть явища, які відбуваються під час розчинення йонної сполуки калій хлориду у воді.

• 2. Коли процес розчинення речовини супроводжується виділенням теплоти?

• 3. Коли процес розчинення речовини супроводжується поглинанням теплоти?

• 4. Опишіть фізичні й хімічні процеси, які відбуваються під час розчинення речовин.

• 5. Чому розчинення амоній нітрату у воді супроводжується охолодженням розчину?

• 6. Як правильно готувати розчин сульфатної кислоти, використовуючи концентровану сульфатну кислоту?

Вправи та задачі

1. Обчисліть масу цинку, яку потрібно додати до 245 г розчину сульфатної кислоти з масовою часткою H₂SO₄ 10 %, щоб повністю перетворити кислоту на сіль.

2. Обчисліть масу хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 25 %, необхідну для взаємодії із сумішшю, що містить 0,4 моль цинку і 0,2 моль магнію.

3. У розчин сульфатної кислоти (з достатньою для реакції кількістю H₂SO₄) помістили 10 г суміші алюмінію і міді. Виділилось 6,72 л газу (н. у.). Обчисліть масу міді в суміші металів.

4. Алюмінієву бронзу (сплав міді й алюмінію) помістили в хлоридну кислоту, з достатньою кількістю хлороводню. Виділилось 0,6 моль газу й залишилось 9,2 г речовини, яка не прореагувала. Обчисліть масу використаного сплаву.

5. У 145,25 г води розчинили 33,6 л (н. у.) гідроген хлориду. Обчисліть масову частку гідроген хлориду в одержаному розчині.

6. На нейтралізацію лугу, що міститься в розчині калій гідроксиду масою 140 г, витратили 0,2 моль сульфатної кислоти. Обчисліть масову частку КОН в розчині.

За матеріалами підручника "Хімія" 9 клас, автор Т.Гранкіна.

Важливо!

Важливо пам’ятати! Розведений розчин сульфатної кислоти готують із концентрованого. Розчинення концентрованої сульфатної кислоти у воді можна здійснювати лише таким чином: у склянку з водою доливають, постійно перемішуючи, невеликі порції кислоти.

Якщо ж додавати воду в концентрований розчин сульфатної кислоти, то результатом виділення величезної кількості теплоти може стати закипання і розбризкування розчину. Бризки кислоти можуть потрапити на одяг, тіло і спричинити хімічні опіки.

За матеріалами підручнику "Хімія" 9 клас, автор О.Березан.

КРИСТАЛОГІДРАТИ

Згадаємо, що частинки (молекули або йони) розчиненої речовини у водних розчинах гідратовані, тобто з’єднані з молекулами води. Під час нагрівання розчинів вода випаровується, а частинки розчиненої твердої речовини з’єднуються між собою, утворюючи кристали з певними кристалічними ґратками. При цьому частина молекул води із гідратної оболонки частинок може увійти до складу кристала. Такі кристали називають кристалогідратами (рис. 24). Кристалогідрати містяться і в осадах у насичених розчинах. Воду, яка міститься в кристалогідратах, називають кристалізаційною.

Кристалогідрати — це кристалічні речовини, до складу яких входять молекули води.

Цифри у формулах кристалогідратів перед молекулами води можуть бути різними, і в назві їх указують за допомогою префіксів, утворених в основному від грецьких числівників (іноді від латинських). Ця таблиця допоможе вам правильно скласти назви.

Префікси, утворені з коренів грецьких (і деяких латинських) числівників:

Наприклад, один із найпоширеніших кристалогідратів — мідний купорос. Його формулу записують так: CuSO₄ • 5H₂O. Це означає, що в складі кристала на 1 формульну одиницю купрум(ІІ) сульфату припадає 5 молекул кристалізаційної води.

Мідний купорос — назва традиційна, а от хімічна правильно звучить так: купрум(ІІ) сульфат пентагідрат.

Зверніть увагу, що кристалогідрати мають свої традиційні назви: FeSO₄ 7H₂O — залізний купорос. Однак безводну сіль FeSO₄ уже назвати купоросом не можна, тому потрібно застосувати хімічну назву: ферум(ІІ) сульфат (рис. 25).

Цей запис означає, що молярна маса кристалогідрату дорівнює молярній масі CuSO₄ плюс 5 молярних мас води.

Одержуємо:

Найголовніше не забути, що « • » у формулі кристалогідратів вважаємо як знак « + ». Це не множення!

Завдання 3. Обчисліть молярну масу залізного купоросу.

Властивості кристалогідратів

Під час обережного нагрівання кристалогідратів вода, яка входить до їхнього складу, випаровується. При цьому може змінюватися колір кристалогідрату.

Дослід «Нагрівання кристалогідратів»

Візьмемо гарні сині кристали мідного купоросу й почнемо обережно нагрівати. Під час нагрівання кристалогідрати поступово втрачають воду й змінюють колір.

Так, наприклад, за t < 100 °С сині кристали CuSO₄ • 5H₂O стають блідо-синіми CuSO₄ • 3H₂O, а за t = 150 °С стають блакитними CuSO₄ • H₂O, за t = 258 °С кристали повністю втрачають воду й перетворюються на білі безводні кристали CuSO₄. Причина зміни кольору — видалення молекул води з кристалогідрату.

Дізнайтеся більше

Галун

Галуном називають калій-алюміній сульфат додекагідрат KAl (SO₄ )₂ 12H₂O. У давнину в Україні для знежирювання і протравлювання поверхні яйця перед розписуванням його фарбами користувалися алюмокалієвим галуном, звідси давня назва писанок на Поділлі — галунки. Галуни застосовують у медицині та косметології як дезінфікуючий і бактерицидний засіб, вони входять до складу масок і лосьйонів для жирної та пористої шкіри. Можна застосовувати тверді кристали, трошки змочені у воді, як дезодоранти.

Приклад 2. Обчисліть масову частку кристалізаційної води в кристалогідраті FeSO₄ • 7H₂O.

Приклад 3. Маса кристалогідрату CaSO₄ • 2H₂O дорівнює 17,2 г. Визначте кількість речовини безводної солі й води, які містяться в цьому зразку кристалогідрату.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

7. Які розчини називають насиченими? ненасиченими?

8. Яка величина чисельно характеризує концентрацію розчину?

9. Які речовини називають кристалогідратами?

10. Що таке кристалізаційна вода?

11. Де використовують кристалогідрати?

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

12. Опишіть, як приготувати насичений розчин; ненасичений розчин. Як зробити насичений розчин ненасиченим, і навпаки?

13. Обчисліть масову частку кристалізаційної води в кристалогідратах: CoCl₂ • 6H₂O; CoCl₂ • 4H₂O; CoCl₂ • H₂O.

14. Формула кристалогідрату MgSO₄ 7H₂O. Обчисліть його молярну масу.

15. Маса кристалогідрату Na₂SO₄ 10H₂O дорівнює 32,2 г. Визначте масу безводної солі й води, які містяться в цьому зразку кристалогідрату.

Тренування: