Основные понятия
растворимости
Растворимость вещества определяется как максимальное количество
вещества, способное раствориться в данном объёме растворителя при
определённой температуре и давлении. Она зависит от природы
растворяемого вещества и растворителя, а также от внешних условий.
Растворимость может выражаться в г/100 мл растворителя, молях на литр
(моль/л) или массовой доле вещества.
Влияние природы
вещества на растворимость
Растворимость определяется типом межмолекулярных взаимодействий:
- Полярные вещества хорошо растворяются в полярных
растворителях (правило «подобное растворяется в подобном»). Примеры:
растворимость солей в воде обусловлена сильными электростатическими
взаимодействиями и гидратацией ионов.
- Неполярные вещества предпочитают неполярные
растворители, где взаимодействия обусловлены дисперсионными силами
Лондона. Пример: растворимость углеводородов в бензине.
- Амфипатические соединения (например, спирты) могут
взаимодействовать с обоими типами растворителей благодаря наличию
полярной и неполярной частей молекулы.
Межмолекулярные
взаимодействия
Растворимость определяется характером межмолекулярных взаимодействий,
которые можно классифицировать следующим образом:
Водородные связи Сильные специфические
взаимодействия между атомами водорода, связанными с
электроотрицательными атомами (O, N, F), и неподелёнными электронными
парами другого электроотрицательного атома.
- Обеспечивают высокую растворимость спиртов, аминов, кислот в
воде.
- Пример: этанол образует водородные связи с молекулами воды, что
увеличивает его растворимость.
Диполь–дипольные взаимодействия Проявляются
между полярными молекулами, имеющими постоянный дипольный момент.
- Важны для растворимости полярных органических соединений, например,
ацетона или хлористого метила, в воде.
Ион–дипольные взаимодействия Происходят между
ионами и полярными молекулами.
- Ключевое значение при растворении солей в воде: положительные и
отрицательные ионы гидратируются молекулами воды, что снижает энергию
кристаллической решётки и обеспечивает растворимость.
Ван-дер-ваальсовы силы (дисперсионные силы
Лондона) Слабые взаимодействия, возникающие за счёт временных
флуктуаций электронного облака.
- Определяют растворимость неполярных молекул в неполярных
растворителях.
- Усиление этих взаимодействий наблюдается при увеличении молекулярной
массы вещества.
Ион–ионные взаимодействия Присутствуют в твёрдых
кристаллах солей и определяют их низкую растворимость в неполярных
растворителях.
- Разрушение этих взаимодействий возможно только при сильной
гидратации в полярном растворителе.
Термодинамические
аспекты растворимости
Растворимость является результатом энергетического баланса между:
- Энергией разрушения кристаллической решётки или молекулярных
ассоциаций растворяемого вещества.
- Энергией разрыва межмолекулярных взаимодействий в растворителе.
- Энергией образования новых взаимодействий между растворителем и
растворяемым веществом.
Для растворения вещества процесс должен быть либо
энергетически выгодным (ΔG < 0), либо
компенсироваться энтропийным фактором.
- Энтальпийный вклад (ΔH): экзотермическое
растворение (ΔH < 0) увеличивает растворимость с понижением
температуры, эндотермическое (ΔH > 0) — растворимость увеличивается с
ростом температуры.
- Энтропийный вклад (ΔS): увеличение степени хаоса
системы при растворении способствует растворимости, особенно для ионных
соединений в полярных растворителях.
Влияние температуры и
давления
- Температура: растворимость твёрдых веществ обычно
увеличивается с ростом температуры, газов — уменьшается.
- Давление: оказывает существенное влияние на
растворимость газов в жидкостях. Согласно закону Генри, растворимость
газа пропорциональна давлению над жидкостью.
Особые случаи
- Растворимость газов в воде: зависит от природы газа
и температуры. Полярные газы (например, NH₃, CO₂) растворяются лучше за
счёт образования водородных связей или гидратации.
- Растворимость электролитов: определяется
соотношением энергии гидратации и энергии кристаллической решётки.
Растворимость сильных электролитов в воде обычно высокая.
- Растворимость органических соединений: альдегиды,
кетоны, карбоновые кислоты обладают различной растворимостью в
зависимости от способности образовывать водородные связи и размера
неполярной углеводородной цепи.
Закономерности и
практические следствия
- Полярные растворители лучше растворяют полярные вещества и
ионы.
- Неполярные растворители подходят для неполярных молекул и
гидрофобных цепей.
- Структура молекулы, наличие функциональных групп и размер
неполярного радикала существенно влияют на растворимость.
- Межмолекулярные взаимодействия определяют не только растворимость,
но и физические свойства растворов: вязкость, поверхностное натяжение,
точку кипения и плавления.
Растворимость является комплексным показателем, отражающим баланс
различных межмолекулярных сил и термодинамических факторов, и играет
ключевую роль в химических процессах, синтезе и технологических
применениях.