Рис. 9. Диффузия молекул соли в воде

Химия 8 класс

Г.

Процесс растворения.

Растворение - физико-химический процесс, протекающий между твердой и жидкой фазами и характеризующийся переходами твердого вещества в раствор.

Растворение - образование однородного раствора из твердой и жидкой фаз. Непосредственный результат растворения заключается в получении раствора, т.е. гомогенной смеси двух и более веществ. Обычно взаимодействие растворителя с полностью растворяющейся твердой фазой происходит на поверхности частиц, в ряде случаев это взаимодействие может затрагивать пористую структуру внутри частиц. Можно выделить два основных класса реакций растворения: 1. Обратимое растворение;2. Необратимое растворение.

Растворенным веществом считается тот из компонентов, который при обычных условиях находится в агрегатном состоянии, отличном от агрегатного состояния растворителя.

С точки зрения химии, растворение - процесс, включающий химическую реакцию между растворителем и растворенным веществом, завершающийся образованием соединений растворенных ионов (молекул) с молекулами растворителя.

Взаимодействие между растворенным веществом и растворителем меняется в зависимости от количественных соотношений между ними. При повышении количества растворенного вещества усиливается интенсивность взаимодействий и усложняется структура раствора. При уменьшении доли растворенного вещества взаимодействие ослабевает, и структура раствора упрощается.

Познакомимся сначала с процессом растворения в воде твердых веществ, для чего обратимся опять к нашему стакану воды и посмотрим, что будет происходить, если мы всыплем в него ложку поваренной соли.

Находящиеся в непрерывном движении молекулы воды при столкновении с кристалликами соли будут как бы срывать с их поверхности отдельные молекулы соли, которые, попав в воду, начнут беспорядочное движение, подобно молекулам воды.

При этом, однако, они будут стремиться распределиться равномерно во всем объеме воды. Это свойство веществ называется диффузией, и, поскольку оно тесно связано с процессом растворения, необходимо остановиться на нем несколько подробнее.

Диффузией называют свойство вещества распространяться в какой-либо среде, т. е. стремление его проникнуть оттуда, где оно есть, туда, где его нет, причем этот процесс происходит исключительно за счет теплового беспорядочного движения молекул среды.

Представим себе, что непосредственно около дна стакана образовался некий слой воды, содержащий молекулы хлористого натрия.

Обозначим их условно точками, как это изображено на рис. 9, при этом этих молекул будет, естественно, особенно много непосредственно около поверхности кристаллов соли, далее, по мере удаления вверх, их число должно быть меньше.

Как же себя будут вести эти молекулы соли? Ведь, как мы уже знаем, их движение, обусловленное беспорядочным движением молекул воды, будет таким же беспорядочным и, следовательно, они будут продвигаться в воде в самых различных направлениях - иногда вниз, иногда вверх, а иногда в сторону или наискось.

Однако, как это ни может показаться на первый взгляд странным, несмотря на совершенно беспорядочное движение молекул соли, будет происходить постепенное закономерное движение их вверх из мест с более высокой их концентрацией в места с более низкой концентрацией, пока, наконец, молекулы соли не распространятся равномерно во всем объеме находящейся в стакане воды.

Для объяснения причины этого как будто неожиданного процесса, носящего название диффузии, рассмотрим, что будет происходить с молекулами соли на границе условно взятого в стакане сечения а-а (рис. 9).

Рис. 9. Диффузия молекул соли в воде.

Процесс диффузии не связан с какой-либо силой, которая якобы заставляет молекулы соли передвигаться вверх, т. е. в область с меньшей их концентрацией в воде.

Каждая молекула соли ведет себя независимо от других молекул соли, с которыми она встречается очень редко.

Каждая молекула соли, где бы она ни находилась -ниже сечения а-а или выше его, испытывает непрерывные толчки со стороны молекул воды, в результате которых она может продвигаться вниз от этого сечения или вверх от него.

Но тут вступает в силу теория вероятностей и ее основной закон больших чисел, широко применяемый в настоящее время естественными науками (и в первую очередь физикой и химией) при изучении свойств тел, состоящих из огромного числа отдельных частиц (молекул, атомов, ионов и др.).

Точность статистического закона больших чисел повышается по мере увеличения количества участвующих в данном явлении частиц и, наоборот, снижается с их уменьшением, вплоть до того, что при некотором их числе этот закон становится неприменимым и мы переходим в область чистой случайности.

Для пояснения этого положения можно прибегнуть к простому общедоступному опыту. Возьмем два одинаковых по размеру, но разных по окраске шарика: белый и черный.

Положим их в какую-нибудь урну или просто в шапку и будем последовательно вынимать один из этих шариков, каждый раз возвращая обратно вынутый шарик.

Поскольку шарики одинакового размера, по-видимому, имеется одинаковая возможность для каждого из них быть вынутым из урны. Но эта одинаковая возможность будет выявляться все в большей степени по мере увеличения числа опытов.

Если мы проведем два-три или даже пять опытов, то возможно, что 2-3 или даже 5 раз будет вынут только белый или только черный шарик.

Но для ста опытов такая вероятность становится невозможной, количество вынутых белых и черных шариков будет приближаться к пятидесяти.

При этом закон вероятности утверждает, что неточность, с какой мы можем определить среднее число случаев, в которых наступает данное явление, равно корню квадратному из количества этих случаев.

Вернемся теперь к нашему стакану с водой и растворенными в ней молекулами соли. Согласно теории вероятности возможности продвижения молекул соли вниз или вверх от сечения а-а будут одинаковы в силу того, что каждую молекулу соли окружает огромное количество молекул воды, от которых она испытывает колоссальное число толчков как вверх, так и вниз.

Но если все молекулы соли, находящиеся в стакане воды около сечения а-а, будут с одинаковой вероятностью перемещаться как вверх, так и вниз от этого сечения, то именно поэтому молекулы соли чаще будут пересекать сечение а-а снизу вверх, чем сверху вниз, поскольку ниже этого сечения концентрация молекул соли больше, чем над ним.

Такое преимущественное перемещение вверх молекул соли будет происходить до тех пор, пока не наступит равномерное распределение их во всем объеме воды.

Одновременно с процессом растворения соли происходит обратный процесс ее кристаллизации, так как в результате беспорядочного движения молекул соли некоторые из них, находящиеся вблизи поверхности кристаллов соли, при столкновении с нею могут задержаться на ней, восстанавливая, таким образом, частично разрушенный в результате процесса растворения кристалл.

Очевидно, что такая возможность обратного процесса будет возрастать по мере возрастания концентрации раствора.

Но по мере того как мы будем всыпать в наш стакан еще порции поваренной соли, наступит момент, когда растворение ее как бы прекратится, т. е. когда скорость обоих процессов (растворения и кристаллизации) выравняется, при этом в единицу времени будет столько же молекул переходить в раствор, сколько их выделится на кристаллах соли. Растворы, имеющие такую предельную концентрацию растворенного вещества, называют насыщенными растворами.

При достижении такого состояния в нашем стакане наступит так называемое динамическое равновесие между твердой солью и ее насыщенным раствором в воде, в результате которого нам будет казаться, что процесс растворения прекратился.

Чтобы убедиться в том, что в насыщенных водных растворах не прекращаются процессы растворения твердого вещества в воде и обратного его выделения из воды, достаточно провести следующий опыт.

После получения в нашем стакане насыщенного раствора хлористого натрия добавим в него некоторое количество кристаллов этой соли, содержащих радиоактивный натрий.

Тогда уже через несколько минут мы обнаружим с помощью специального счетчика (Гейгера-Мюллера), что в растворе появились радиоактивные атомы натрия, причем количество их будет постепенно нарастать, достигнув через несколько десятков минут наибольшего значения.

Этот опыт убедительно показывает, что в насыщенном растворе все время идет обновление кристаллов, т. е. переход молекул хлористого натрия с поверхности кристалла в насыщенный раствор и переход на их место молекул соли из раствора.

Процесс диффузии в растворах протекает относительно медленно, вследствие чего слой воды, непосредственно прилегающий к кристаллам соли, быстро становится насыщенным, после чего дальнейшее растворение происходит только по мере того, как из этого слоя диффундируют вверх растворенные молекулы соли.

Таким образом, процесс растворения соли быстро спадает и протекает так же медленно, как и диффузия растворенных молекул соли.

Поэтому для ускорения растворения прибегают к искусственному ускорению диффузии путем перемешивания раствора.

Растворение газов в воде происходит в основном аналогично растворению твердого тела, с тем лишь отличием, что проникновение в воду молекул твердого тела происходит путем отрыва их молекулами воды от кристаллов соли, находящихся в воде, а попадание в воду молекул газообразного вещества осуществляется в результате их беспорядочного движения над поверхностью воды, в результате чего некоторые из них попадают непосредственно на поверхность воды и, подвергаясь действию притягательных сил молекул воды, втягиваются внутрь.

Это втягивание молекул газа внутрь воды и является одним из существенных моментов процесса растворения газов в воде.

Дальнейшая судьба попавших в глубь воды молекул газа аналогична поведению растворенный молекул соли, которые, испытывая различные столкновения с окружающими их молекулами воды, совершают также беспорядочные движения.

Некоторые молекулы газа в результате этого движения между молекулами воды могут вновь очутиться на ее поверхности.

При благоприятном толчке этой молекулы по направлению к поверхности воды она может даже улететь из воды, или, очутившись на поверхности воды, эта молекула газа может освободиться в результате удачного толчка, который она получит от какой-либо подлетевшей другой молекулы газа, в противном случае эта молекула газа вновь будет втянута в глубь воды.

Таким образом, если мы имеем воду и находящийся над ней какой-либо газ, например кислород, то будут происходить одновременно два противоположных процесса: проникновение молекул кислорода в воду, т. е. его растворение в воде, и обратный процесс - вылетание молекул кислорода из воды.

По мере того как количество растворенных в воде молекул кислорода будет возрастать, будет соответственно увеличиваться возможность для некоторых из них вырваться из воды.

Наконец наступит момент, когда количество попадающих в воду молекул кислорода станет равным числу уходящих из воды молекул кислорода.

Следовательно, наступит аналогично системе кристаллы соли - насыщенный раствор так называемое динамическое равновесие, при котором процесс растворения кислорода в воде хотя и будет продолжаться, но количество молекул газа в воде будет неизменным.

Однако имеется и существенное отличие между системой кристаллы соли - насыщенный раствор ее в воде и системой газ - раствор газа в воде.

Дело в том, что максимальное количество молекул газа в нашем случае - кислорода, которое может быть растворено в воде, будет тем больше, чем больше этих молекул будет находиться над поверхностью воды и, следовательно, чем больше будет создаваться благоприятных столкновений молекул газа с водой и проникновение их в глубь ее.

В самом деле, вернемся к нашей системе кислород - раствор кислорода в воде, когда в ней наступило динамическое равновесие.

Что произойдет, если мы каким-либо путем увеличим количество находящегося над раствором кислорода, т. е. если мы увеличим количество молекул кислорода в единице объема пространства, находящегося над раствором?

Тогда количество молекул кислорода, попадающих в раствор, увеличится, в то время как количество молекул, вылетающих из него, остается пока еще тем же.

Следовательно, динамическое равновесие нарушится и начнется дальнейшее растворение молекул кислорода, пока в результате увеличения их в воде не наступит новое динамическое равновесие, которое будет отличаться от первого тем, что количество растворенных в воде молекул кислорода увеличится.

Итак, мы установили связь между количеством кислорода в единице объема над раствором и растворимостью кислорода в воде.

 

Обучающее видео: https://youtu.be/A-KqlhwewOY

 

 

Домашнее задание: Изучить §34, повторить §56 (с.196-197), в рабочей тетради составить опорный конспект, выполнить № 2 после §.