Вернемся к растворам, которые нам больше всего известны — к жидким. Как они получаются?
Обычно для этого не требуется особых усилий: достаточно просто всыпать (или влить, если оно жидкое) растворяемое вещество в жидкий растворитель, немножко размешать, и раствор готов. Самый простой пример — водный раствор сахара. Сладкий чай все мы пили, и не раз.
Но сколько сахара можно растворить в воде?
Возьмем четверть стакана холодной воды и будем добавлять сахар, всякий раз его размешивая, чтобы добиться полного растворения. Первые куски сахара растворятся в воде почти мгновенно, как будто в стакане появился голодный динозаврик-сладкоежка.
Хорошо, что наш динозавр — чудовище воображаемое и не представляет никакой опасности ни для кого, кроме: сахара. Голодный «динозавр» — это ненасыщенный раствор, который готов принять («съесть») все новые и новые порции растворяемого вещества.
Но когда в стакан попадет не второй или третий, а десятый кусок сахара, похоже, что дракончик почти наелся: растворение происходит все труднее. Для этого требуется подолгу размешивать новые порции сахара.
Наступает момент, когда ложка едва движется в густом сахарном сиропе, а кристаллы сахара даже не падают на дно стакана, а плавают в этом сиропе.
Наш дракончик наелся, раствор стал насыщенным.
Насыщенный раствор может спокойно соседствовать с кристаллами, и ничего не будет происходить (если только не меняется температура).
Догадались, в чем дело? Правильно! Даже у самого свирепого и злобного чудовища брюхо не бездонная бочка — когда-нибудь да наполнится. И даже если кругом будет полно добычи, он ее уже не тронет.
Так и насыщенный раствор: он больше не может растворять вещество, которого и так уже «досыта наелся».
«Аппетит» растворителя по отношению к растворенному веществу имеет и количественное выражение: это растворимость вещества, способность его растворяться в данном растворителе при определенной температуре.
- самое простое — рассчитать коэффициент растворимости. Для этого надо знать, сколько вещества растворилось в 100 г растворителя;
- концентрацию насыщенного раствора можно выразить и с помощью массовой доли растворенного вещества. Массовая доля вещества в растворе показывает, сколько растворенного вещества содержится в 100 г раствора (то есть и растворенного вещества, и растворителя вместе). Массовая доля — величина безразмерная, ее при желании можно выразить и в процентах;
- для малорастворимых веществ содержание растворяемого вещества часто определяют с помощью химической единицы измерения концентрации молярность. Чтобы ее рассчитать, определяют, сколько моль вещества содержится в 1 л раствора.
Помните, сколько сахара было насыпано в стакан к «ненасытному динозаврику»?
- коэффициентом растворимости, равным 203,9 г сахарозы / 100 г воды;
- или массовой долей 0,671 (67,1 %) сахарозы в воде;
- или молярностью насыщенного раствора сахарозы — молярной концентрацией, которая составляет около 6 моль/л.
- Разбавленные растворы — это те, в которых массовая доля растворенного вещества составляет всего несколько процентов, или молярность меньше 0,1 моль/л.
- В концентрированных растворах массы растворенного вещества и растворителя можно сравнивать между собой, и еще неизвестно, кто будет иметь перевес. Вот, например, насыщенный раствор сахара оказался концентрированным: в нем сахарозы по массе больше, чем воды.
Но если вы не сладкоежка, то кладете в чай сахара немного, и раствор сахарозы получается разбавленным.
Каждый знает, что в горячей воде сахар растворяется лучше, чем в холодной. Химики определили и точные значения растворимости сахарозы в воде: при 50 °С это уже 72,3 %, а при 80 °С — 78,4 %.
С нагреванием увеличивается растворимость и у поваренной соли — хлорида натрия NaCl, и у питьевой соды — гидрокарбоната натрия NaHCO3. В 100 г воды при 20 °С растворяется 35,9 г хлорида натрия или 9,6 гидрокарбоната натрия, а при 80 °С — уже 38,1 г NaCl и 20,2 NaHCO3.
Но есть вещества, растворимость которых при нагревании раствора уменьшается. Вы обращали когда-нибудь внимание на то, как ведет себя вода в чайнике незадолго до того, как закипеть? Перед кипением, а иногда и раньше, с самого начала нагревания, на внутренних стенках чайника или кастрюли появляются пузырьки воздуха. Почему?
Растворимость всех газов (азота N2, кислорода O2, диоксида углерода CO2), входящих в состав воздуха, с ростом температуры уменьшается. Вот и выделяется излишек растворенного на холоду воздуха, взбаламучивая горячую воду.
Если газы не реагирует с водой каким-то особым образом (как это происходит при растворении хлороводорода HCl или аммиака NH3), то они и безо всякого нагревания, на холоду, плохо растворимы в воде. А если еще и температура повышается, они и вовсе воде не друзья: Словом, если для чего-то требуется вода без примеси растворенных газов, ее для начала следует просто прокипятить — и большая часть газообразных примесей улетучится.
Среди кристаллических веществ тоже встречаются такие, которые при нагревании растворимы хуже, чем на холоду, например, карбонат лития Li2CO3.
Взаимная растворимость жидкостей — вот где впору запутаться и заблудиться, до того она может быть разной. Единственное, что может здесь спасти — старое, еще алхимическое, правило: «подобное растворяется в подобном». Это означает, что жидкости с неполярными молекулами хорошо растворимы в неполярных растворителях (например, растительное масло в бензине или тетрахлориде углерода), но плохо — в воде.
Если же у обоих веществ (и у растворителя, и у растворяемой «добавки») полярные молекулы, то они тоже хорошо растворимы друг в друге. Хорошие примеры — вода и этиловый спирт или вода и ацетон: они смешиваются друг с другом в любых соотношениях и в неограниченном количестве. Вот почему, например, нельзя отмыть пятно от мазута на куртке или джинсах чистой водой: полярные молекулы воды бессильны перед неполярными частицами углеводородов, смесь которых — это и есть мазут. Зато бензин или тетрахлорид углерода неприятное пятно смоют без труда.
Существует еще один вид растворов, совершенно удивительный и невероятный — это пересыщенные растворы.
Если насыщенный раствор слить с кристаллов и дать ему охладиться, то получится такая жидкость, в которой заведомо больше растворенного вещества, чем это полагалось бы по значению его растворимости. Такой раствор — пересыщенный, и ему очень хочется избавиться от излишка растворенного вещества.
Со своим непосильным грузом пересыщенный раствор расстанется при первом же удобном случае — например, если в него попадет крохотный кристаллик или простая пылинка, на который тут же выделятся все «лишние» кристаллы.
Иногда такая кристаллизация «излишков» происходит уже при легком сотрясении сосуда с пересыщенным раствором.
