Растворы: растворитель, растворённое вещество и растворимость

Чай с сахаром, морская вода, уксус и воздух кажутся совсем разными веществами, но все они связаны с понятием раствора. Растворы окружают нас дома, в лаборатории и в живых организмах. Кровь переносит растворённые соли и питательные вещества, лекарственные препараты нередко готовят в виде растворов, а при приготовлении пищи мы растворяем соль, сахар или лимонную кислоту. Чтобы верно описывать такие системы, нужно различать растворитель и растворённое вещество, а также понимать, почему одни вещества растворяются хорошо, а другие почти не смешиваются с водой.

Что называют раствором

Однородность отличает истинный раствор от смеси, где частицы заметны или отделяются от жидкости. Если размешать поваренную соль в воде, кристаллы исчезают, а полученная жидкость остаётся прозрачной. Ионы натрия и хлорида распределяются между молекулами воды. Даже если оставить стакан на несколько дней, соль не выпадет на дно, пока вода не испаряется и раствор не стал слишком концентрированным.

Для сравнения, песок в воде образует суспензию. Его частицы не растворяются, поэтому вода сначала мутнеет, а затем песчинки оседают. Молоко тоже не является истинным раствором: это эмульсия, в которой мелкие капли жира распределены в воде. В школьных опытах тип раствора часто можно определить по внешнему виду, но прозрачность сама по себе не всегда служит доказательством. Очень мелкие частицы коллоидов могут быть почти незаметны.

Растворы бывают не только жидкими. Воздух является газовым раствором, где основную часть составляют азот и кислород, а также присутствуют аргон, углекислый газ и водяной пар. Сплавы металлов можно рассматривать как твёрдые растворы. Например, латунь содержит медь и цинк. Однако в школьной химии чаще всего изучают растворы веществ в воде, поскольку с ними удобно проводить реакции и расчёты.

Растворитель и растворённое вещество

Растворителем называют компонент, которого в растворе больше и который определяет его агрегатное состояние. В солёной воде растворитель, конечно, вода, а растворённое вещество, хлорид натрия. В сладком чае вода остаётся растворителем, а сахар относится к растворённым веществам. Если в одном растворе присутствуют соль и сахар, растворитель всё равно один, а растворённых веществ два.

Вода считается самым распространённым растворителем. Её молекула полярна: у атома кислорода возникает частичный отрицательный заряд, а у атомов водорода, частичный положительный. Поэтому вода притягивает ионы и полярные молекулы. Когда кристалл соли попадает в воду, молекулы воды окружают ионы Na⁺ и Cl⁻, ослабляют их связь в кристалле и уносят в раствор. Этот процесс называют гидратацией.

Не каждое вещество хорошо растворяется в воде. Растительное масло образует на поверхности отдельный слой, поскольку его молекулы неполярны. Зато оно смешивается с некоторыми органическими растворителями. Полезное правило формулируют так: подобное растворяется в подобном. Полярные вещества обычно лучше взаимодействуют с полярными растворителями, а неполярные, с неполярными. Это правило помогает объяснить явление, но для точного прогноза учитывают строение вещества, температуру и другие условия.

Что такое растворимость и от чего она зависит

Растворимость показывает, какая наибольшая масса вещества способна раствориться в определённой массе растворителя при заданной температуре. Обычно в таблицах указывают, сколько граммов вещества растворяется в 100 г воды. Например, если растворимость вещества равна 36 г при 20 °C, это означает, что в 100 г воды при этой температуре может раствориться не более 36 г данного вещества с образованием насыщенного раствора.

Для большинства твёрдых веществ растворимость при нагревании увеличивается. Поэтому сахар легче растворить в горячем чае, чем в холодном. Но это не универсальное правило: растворимость некоторых солей с ростом температуры меняется мало или даже уменьшается. Перед расчётом нужно смотреть условие задачи или таблицу, а не делать вывод только по привычному примеру с сахаром.

У газов зависимость другая. При нагревании их растворимость в воде обычно уменьшается. В тёплой газированной воде быстрее появляются пузырьки углекислого газа. Давление, наоборот, помогает газу оставаться в жидкости. В закрытой бутылке лимонада давление выше атмосферного, поэтому CO₂ растворён лучше. После открытия давление падает, и избыток газа выделяется в виде пузырьков.

Перемешивание и измельчение твёрдого вещества не увеличивают его предельную растворимость, но ускоряют растворение. Мелкие кристаллы имеют большую площадь соприкосновения с водой, а перемешивание постоянно подводит к их поверхности свежие порции растворителя. Поэтому сахар-песок растворяется быстрее крупного куска сахара, хотя в одинаковом количестве воды при той же температуре итоговая масса растворившегося сахара будет одинаковой.

Насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы

Ненасыщенный раствор способен растворить ещё некоторое количество вещества при данной температуре. Если добавить в стакан воды щепотку соли и она полностью исчезнет после перемешивания, раствор пока ненасыщенный. Насыщенным называют раствор, находящийся в равновесии с избытком растворяемого вещества. В таком стакане новые кристаллы уже не исчезают, а остаются на дне.

Насыщенный раствор не всегда выглядит как жидкость с осадком. Если лишние кристаллы удалить, жидкость сохранит ту же максимальную концентрацию, просто равновесие с твёрдым веществом нельзя будет наблюдать. При испарении части воды раствор снова достигнет предела, и кристаллы начнут появляться.

Иногда горячий насыщенный раствор осторожно охлаждают, не встряхивая. В нём может временно сохраниться больше вещества, чем допускает растворимость при новой температуре. Такой раствор называют пересыщенным. Он неустойчив: достаточно бросить в него маленький кристалл того же вещества или слегка встряхнуть сосуд, и избыток быстро начнёт кристаллизоваться. Этот эффект используют при выращивании кристаллов из раствора медного купороса или сахара.

Концентрация раствора и массовая доля

Растворимость отвечает на вопрос о предельном количестве вещества, а концентрация показывает, сколько вещества фактически содержится в данном растворе. Один из самых распространённых способов выразить концентрацию, массовая доля растворённого вещества. Её обозначают буквой ω и рассчитывают по формуле: ω = m(вещества) / m(раствора). Чтобы получить процент, результат умножают на 100 %.

Допустим, в 180 г воды растворили 20 г соли. Масса раствора равна 200 г. Тогда массовая доля соли: ω = 20 / 200 = 0,1, или 10 %. Важно складывать массу растворителя и массу растворённого вещества. Ошибка возникает, когда 20 г делят на 180 г воды и получают неверный ответ.

Если из 10%-го раствора испаряется вода, масса соли не меняется, а масса раствора уменьшается. Значит, массовая доля соли возрастает. Если, наоборот, добавить воду, раствор разбавится, и массовая доля станет меньше. При добавлении новой порции соли нужно проверить растворимость: возможно, часть соли не растворится и говорить о растворе заданной концентрации уже будет нельзя.

Понятия о растворах нужны не только для лабораторных работ. Они помогают объяснить, почему соль остаётся на дне банки с рассолом, почему газировка выдыхается и как по условию задачи приготовить раствор нужной концентрации. Когда различие между растворением, скоростью растворения и растворимостью понятно, химические расчёты становятся значительно проще.