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.
