Раствор

Растворы

 Еще алхимики, кроме поисков философского камня и эликсира жизни, пытались найти универсальный растворитель. С этой целью было проведено огромное количество опытов и выделено в чистом виде огромное количество веществ, в том числе серная кислота, уксус и др. Однако в поисках алхимики упустили такое вещество, как вода. Вода фактически является универсальным растворителем, так как из всех растворителей она растворяет наибольшее количество веществ.
 Наиболее распространенными физико-химическими системами, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, являются растворы. Раствор содержит не менее двух компонентов, один из которых растворитель, а другое  - растворенное вещество. Процесс растворения – это не только физическое явление, т.е. механическое перемешивание веществ. Из практики нам известно, что при растворении некоторых веществ в воде, например сульфатной кислоты, происходит разогревание. Выделение же теплоты – это признак химической реакции.  Учитывая написанное, растворы можно определить так:

 Растворами называют однородные системы, состоящие из молекул растворителя и частиц растворенного вещества, между которыми происходят физическое или химическое взаимодействия.

   Самая характерная особенность раствора, называемого истинным, состоит в том, что растворенное вещество находится в виде атомов, ионов или молекул, равномерно окруженных атомами, ионами или молекулами растворителя. Иначе говоря, истинные растворы однофазны, т.е. в них отсутствует граница раздела между растворителем и растворенным  веществом. Растворы могут существовать в любом из агрегатных состояний: газообразном, жидком или твердом. Например, воздух можно рассматривать, как раствор кислорода и других газов (углекислый газ, благородные газы) в азоте. Морская вода – это водный раствор различных солей в воде. Многие минералы – это твердые растворы.

    Растворитель – это компонент раствора, который находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор. Например, если смешать сахар (твердое вещество) и воду (жидкость), получится жидкий раствор. В данном случае вода – растворитель, а сахар – растворенное вещество. Однако, часто растворы образуются из веществ, находящихся в одинаковых агрегатных состояниях, например из спирта (жидкость) и воды (жидкость). В таком случае растворителем считается тот компонент, которого в системе больше.

     Растворяемое вещество может быть в любом агрегатном состоянии. Так, в воде можно растворять соль, а можно – углекислый газ. В обоих случаях образуются однородные жидкие системы – растворы. Кроме того, в одном растворе может быть растворено несколько веществ, например морская вода.

     Расскажу вам легенду «Почему много воды в море». Погнал дед к морю волов, чтобы они напились. А волы не пьют воду, а он их всё возвращает к воде, а дальше и говорит: «Что за черт. Почему они не пьют? Кажется уже им пора попить. А ладно, хоть сам напьюсь». Попробовал раз – соленая. Попробовал два – и соленая, и горькая. «Э, - говорит дед, - потому её и много, что никто её не пьёт». И погнал волов в другое место поить.

    Все растворители можно классифицировать на полярные, малополярные и неполярные. .Эта характеристика во многом определяется молекулой растворителя. К полярным растворителям относятся вода, спирты, ацетон, глицерин и т.д. К неполярным – бензол, гексан, октан и т.д. К малорастворимым  растворителям можно отнести сложные эфиры органических кислот. Такие вещества встречаются, например, в клее для пластмассовых изделий, в пищевой эссенции с запахом «Дюшеса».

     Еще в алхимический период становления химии был открыт один из главных принципов, которым определяется растворимость веществ: подобное растворяется в подобном. Исходя из этого принципа, можно объяснить, почему некоторые вещества растворяются в одном растворителе и не растворяются в другом. Веществ, которые бы растворялись во всех растворителях , не существует.

    И так, вещества с ионным или полярным типом связи хорошо растворимы в полярных растворителях, прежде всего в воде. Например, этиловый спирт смешивается с водой в любых соотношениях. И наоборот, растворимость кислорода в бензоле на порядок выше, так как их молекулы неполярны. Вместе с тем аммиак, молекулы которого полярны лучше растворяются в воде, чем в неполярных растворителях.

Строение молекулы воды.

 Мы знаем, что молекулярная формула воды – H₂O. Итак, в молекуле воды находится два атома водорода и один атом кислорода. Кислород расположен в шестой группе главной подгруппе периодической системы Д.И.Менделеева. На внешнем энергетическом уровне в атоме кислорода имеется шесть электронов, четыре которых спарены. Два неспаренных электрона двух 2p-атомных орбиталей атома кислорода образуют с двумя неспаренными электронами двух 1s-атомных орбиталей двух атомов водорода две общие электронные пары.

    Электронная формула воды:    ..   

                                                 H  :  О  :

                                                         ..

                                                         Н

    Связь в молекуле воды ковалентная полярная. В молекуле воды две ковалентные связи.

     Структурная формула воды:

                                            H – O

                                                    ׀

                                                    Н

Ковалентная связь обладает направленностью в пространстве  и возникает в направлении перекрывания электронных облаков. Так как p- атомные орбитали направлены в пространстве вдоль осей координат взаимно перпендикулярно, молекула воды имеет угловое строение. Угол между связями H – O – H равен 104,5°.

Полярные молекулы являются диполями. Этим термином обозначают всякую электронейтральную систему, состоящую из положительных и отрицательных зарядов. Поэтому диполь воды можно представить таким образом

                                                                                                      

          

  Следовательно, вода является полярным растворителем. Она способна растворять твердые, жидкие и газообразные вещества. Обнаружено, что 60элементов в растворенном виде находится в воде. Расчеты показывают, что в океанской воде содержится 8 млн. т золота, 164 млн. серебра, 80 млн. т йода и др. солей. Уже сегодня из морской воды добывают хлор, золото, уран. Её называют «живой рудой».

«Понятие о водородной связи».

   Между молекулами воды существует водородная связь. Название этого типа химической связи показывает, что в её образовании принимает участие атом водорода.  Этот тип химической связи широко распространен в природе и играет большую роль во многих химических процессах.

Возникновение водородной связи можно объяснить действием электростатических сил. При образовании молекулы воды между атомами водорода и кислорода образуется ковалентная полярная связь. Электронное облако, первоначально принадлежащее атому водорода, сильно смещается к атому кислорода, который характеризуется высокой электроотрицательностью. В результате этого атом кислорода приобретает отрицательный заря, а ядро атома водорода (протон) почти полностью лишается электронного облака. Между протоном и отрицательно заряженным атомом кислорода соседней молекулы воды возникает электростатическое притяжение, что и приводит к образованию водородной связи. Её возникновение обусловлено тем, что протон, обладая ничтожно малыми размерами, способен проникать в электронные оболочки других атомов. В результате проявления водородной связи происходит ассоциация молекул воды и связывание их в димеры, тримеры, тетрамеры.

    Мы привыкли состав воды изображать формулой H₂O, но правильнее было бы состав обозначать формулой (H₂O)_n, где n равно 2,3,4 и т.п., так как отдельные молекулы воды соединены  водородными связями, которые схематически изображают точками

  H – O…H – O…H – O

          |             |             |

         H           H           H

Водородная связь гораздо слабее, чем ионная или ковалентная, но более сильная, чем межмолекулярное взаимодействие.

   Образованием водородных связей объясняется, почему объём воды в отличие от объемов других веществ, при понижении температуры увеличивается.

    Наличие водородных связей между молекулами воды мешает выпариванию воды. Солнце – сильный энергетик - оно нагревает воду везде, где она есть: в море, океане. Вода усваивает всю энергию солнца и выпаривается. Нужно много энергии, чтобы разъединить связи между молекулами воды и превратить её в пар. Нет ни одного вещества, у которого теплота выпаривания была бы больше, чем у воды.

   Метеорологи подсчитали, что Солнце выпаривает на Землю за 1 минуту миллиард тонн воды. Каждую минуту водяной пар отдаёт атмосфере Земли большое количество энергии – 2,2×10¹⁸Дж. Столько энергии за такое  короткое время может выработать 40 млн. электростанций. Эта энергия переходит в тепловую, она нагревает воздух. Это она переносит воду в облаках и орошает дождями поверхность Земли.