Растворимость веществ в воде

Раствор – это гомогенная система, состоящая из двух или более веществ, содержание которых можно изменять в определенных пределах без нарушения однородности.

Водные растворы состоят из воды (растворителя) и растворенного вещества. Состояние веществ в водном растворе при необходимости обозначается нижним индексом (р), например, KNO₃ в растворе – KNO_3(p).

Растворы, которые содержат малое количество растворенного вещества, часто называют разбавленными, а растворы с высоким содержанием растворенного вещества – концентрированными. Раствор, в котором возможно дальнейшее растворение вещества, называется ненасыщенным, а раствор, в котором вещество перестает растворяться при данных условиях, – насыщенным. Последний раствор всегда находится в контакте (в гетерогенном равновесии) с нерастворившимся веществом (один кристалл или более).

В особых условиях, например при осторожном (без перемешивания) охлаждении горячего ненасыщенного раствора твердого вещества, может образоваться пересыщенный раствор. При введении кристалла вещества такой раствор разделяется на насыщенный раствор и осадок вещества.

В соответствии с химической теорией растворов Д. И. Менделеева растворение вещества в воде сопровождается, во-первых, разрушением химических связей между молекулами (межмолекулярные связи в ковалентных веществах) или между ионами (в ионных веществах), и, таким образом, частицы вещества смешиваются с водой (в которой также разрушается часть водородных связей между молекулами). Разрыв химических связей совершается за счет тепловой энергии движения молекул воды, при этом происходит затрата энергии в форме теплоты.

Во-вторых, попав в воду, частицы (молекулы или ионы) вещества подвергаются гидратации. В результате образуются гидраты – соединения неопределенного состава между частицами вещества и молекулами воды (внутренний состав самих частиц вещества при растворении не изменяется). Такой процесс сопровождается выделением энергии в форме теплоты за счет образования новых химических связей в гидратах.

В целом раствор либо охлаждается (если затрата теплоты превосходит ее выделение), либо нагревается (в противном случае); иногда – при равенстве затраты теплоты и ее выделения – температура раствора остается неизменной.

Многие гидраты оказываются настолько устойчивыми, что не разрушаются и при полном выпаривании раствора. Так, известны твердые кристаллогидраты солей CuSO₄ 5Н₂O, Na₂CO₃ • 10Н₂O, KAl(SO₄)₂ • 12Н₂O и др.

Содержание вещества в насыщенном растворе при Т = const количественно характеризует растворимость этого вещества. Обычно растворимость выражается массой растворенного вещества, приходящейся на 100 г воды, например 65,2 г КBr/100 г Н₂O при 20 °C. Следовательно, если 70 г твердого бромида калия ввести в 100 г воды при 20 °C, то 65,2 г соли перейдет в раствор (который будет насыщенным), а 4,8 г твердого КBr (избыток) останется на дне стакана.

Следует запомнить, что содержание растворенного вещества в насыщенном растворе равно, в ненасыщенном растворе меньше и в пересыщенном растворе больше его растворимости при данной температуре. Так, раствор, приготовленный при 20 °C из 100 г воды и сульфата натрия Na₂SO₄ (растворимость 19,2 г/100 г Н₂O), при содержании

15,7 г соли – ненасыщенный;

19.2 г соли – насыщенный;

20.3 г соли – пересыщенный.

Растворимость твердых веществ (табл. 14) обычно увеличивается с ростом температуры (КBr, NaCl), и лишь для некоторых веществ (CaSO₄, Li₂CO₃) наблюдается обратное.

Растворимость газов при повышении температуры падает, а при повышении давления растет; например, при давлении 1 атм растворимость аммиака составляет 52,6 (20 °C) и 15,4 г/100 г Н₂O (80 °C), а при 20 °C и 9 атм она равна 93,5 г/100 г Н₂O.

Таблица №14

Твёрдое вещество	Растворимость, г/100 г H2O при температуре
	0 °С	20 °С	50 °С	80 °С	100 °С
RBr NaCl CaSO4 Li2CO3	53,5 35,7 0,176 1,54	65,2 35,9 0,206 1,33	80,8 36,8 0,18 1,08	94,6 38,1 0,102 0,85	103,3 39,4 0,066 0,72

В соответствии со значениями растворимости различают вещества:

– хорошо растворимые, масса которых в насыщенном растворе соизмерима с массой воды (например, КBr – при 20 °C растворимость 65,2 г/100 г Н₂O; 4,6М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью более чем 0,1М;

– малорастворимые, масса которых в насыщенном растворе значительно меньше массы воды (например, CaSO₄ – при 20 °C растворимость 0,206 г/100 г Н₂O; 0,015М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью 0,1–0,001М;

– практически нерастворимые, масса которых в насыщенном растворе пренебрежимо мала по сравнению с массой растворителя (например, AgCl – при 20 °C растворимость 0,00019 г на 100 г Н₂O; 0,0000134М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью менее чем 0,001М.

По справочным данным составлена таблица растворимости распространенных кислот, оснований и солей (табл. 15), в которой указан тип растворимости, отмечены вещества, не известные науке (не полученные) или полностью разлагающиеся водой.

Условные обозначения, используемые в таблице:

«р» – хорошо растворимое вещество

«м» – малорастворимое вещество

«н» – практически нерастворимое вещество

«–» – вещество не получено (не существует)

«∞» – вещество смешивается с водой неограниченно

Таблица №15

Ионы	Br-	Cl-	F-	I-	NO3-	OH-	PO43-	SO42-
Ag+	н	н	р	н	р	-	н	м
Al3+	р	р	м	р	р	н	н	р
Ba2+	р	р	м	р	р	р	н	н
Be2+	р	р	р	р	р	н	н	р
Ca2+	р	р	н	р	р	м	н	м
Cd2+	р	р	р	р	р	н	н	р
Co2+	р	р	р	р	р	н	н	р
Cr3+	р	р	м	н	р	н	н	р
Cu2+	р	р	р	-	р	н	н	р
Fe2+	р	р	м	р	р	н	н	р
Fe3+	р	р	м	-	р	-	н	р
H+	р	р	∞	р	∞	∞	р	∞
K+	р	р	р	р	р	р	р	р
Li+	р	р	р	р	р	р	м	р
Mg2+	р	р	м	р	р	н	н	р
Mn2+	р	р	р	р	р	н	н	р
NH4+	р	р	р	р	р	-	-	р
Na+	р	р	р	р	р	р	р	р
Ni2+	р	р	р	р	р	н	н	р
Pb2+	м	м	м	м	р	н	н	н
Zn2+	р	р	м	р	р	н	н	р

Примечание. Данная таблица отвечает приготовлению насыщенного раствора при комнатной температуре путем внесения вещества (в соответствующем агрегатном состоянии) в воду. Следует учесть, что получение осадков малорастворимых веществ с помощью реакций ионного обмена возможно не всегда.