1.13 : Растворимость

Раствор, растворимость и равновесие растворимости

Раствор представляет собой гомогенную смесь, состоящую из растворителя (основного компонента) и растворенного вещества (второстепенного компонента). Физическое состояние раствора — твердое, жидкое или газообразное — обычно такое же, как и у растворителя. Концентрации растворенных веществ часто описываются качественными терминами, такими как разбавленные (относительно низкой концентрации) и концентрированные (относительно высокой концентрации).

В растворе частицы растворенного вещества (молекулы, атомы и/или ионы) тесно окружены растворителями и взаимодействуют посредством сил притяжения. Этот процесс растворения называется сольватацией. Когда растворителем является вода, этот процесс известен как гидратация. Для сольватации взаимодействия растворенное вещество-растворитель должны быть более сильными, чем взаимодействия растворенное вещество-растворенное вещество и растворитель-растворитель. Осаждение является противоположностью сольватации и происходит из-за сильных взаимодействий между частицами растворенного вещества.

Растворимость – это мера максимального количества растворенного вещества, которое можно растворить в данном количестве растворителя. Температура, давление и молекулярная полярность являются одними из важных факторов, влияющих на растворимость. Равновесие растворимости устанавливается, когда растворение и осаждение растворенных веществ происходят с одинаковой скоростью.

Подобное растворяется в подобном

Чтобы предсказать, будет ли растворенное вещество растворимым в данном растворителе, применяется эмпирическое правило: «подобное растворяется подобным». Полярные или ионные растворенные вещества растворяются в полярных растворителях в результате ион-дипольных или диполь-дипольных взаимодействий с молекулами растворителя. Такое взаимодействие будет невозможно с неполярным растворителем. Неполярные растворенные вещества растворяются в неполярных растворителях за счет сил межмолекулярной дисперсии.

Гидрофильные, гидрофобные и амфифильные соединения

Вода – полярный растворитель. Растворенные вещества, растворимые в воде, называются «гидрофильными» или «водолюбивыми». Например, когда к воде добавляется твердый KCl, положительный (водородный) конец полярных молекул воды притягивается к отрицательным ионам хлорида, а отрицательные (кислородные) концы воды притягиваются к положительным ионам калия. Молекулы воды окружают отдельные ионы K+ и Cl−, уменьшая сильные силы, связывающие ионы вместе, и позволяя им переходить в раствор в виде сольватированных ионов.

Растворенное вещество, нерастворимое в воде, называется «гидрофобным» или «водобоязненным». Такие растворенные вещества, как нефть, не способны образовывать водородные связи с окружающими молекулами воды из-за более сильных взаимодействий между растворенными веществами. В результате частицы растворенного вещества собираются вместе и остаются нерастворенными.

Соединения, имеющие как полярные, так и неполярные группы, называются «амфипатическими» или «амфифильными». Например, мыло, представляющее собой соли жирных кислот. Они имеют гидрофобный хвост из неполярных углеводородов и полярную гидрофильную головку. Очищающее действие мыла и моющих средств можно объяснить структурой молекул в их составе. Углеводородный (неполярный) конец молекулы мыла или моющего средства растворяется или притягивается к неполярным веществам, таким как масло, жир или частицы грязи. Ионный конец притягивается водой (полярный). В результате молекулы мыла или моющего средства ориентируются на границе раздела частиц грязи и воды и действуют как своего рода мост между двумя разными типами материи: неполярной и полярной. В результате частицы грязи оказываются взвешенными в виде коллоидных частиц и легко смываются.