Как вещества растворяются?
Какие условия должны соблюдаться чтобы произошло растворение?
Почему полярные вещества лучше растворяются в полярных растворителях, а неполярные - в неполярных?
📜 Данная статья является дополнением к теме "Основы биохимии. Свойства воды. Осмос".
Рассмотрим растворение более подробно, делая акцент на использовании в качестве растворителя воду, а в качестве растворяемого компонента - твердые вещества. При растворении твердых веществ в жидкостях протекают следующие процессы:
- Разрываются водородные связи воды. Это эндотермический процесс - для его протекания необходима энергия. Однако водородная связь сама по себе очень слабая. Разрыв и восстановление этих связей происходит примерно каждые 1-20 пикосекунд.
- Разрушение кристаллической решетки твердого вещества. Это тоже эндотермический процесс здесь также необходимы затраты энергии.
- Диффузия молекул жидкости и молекул растворяющегося вещества. Скорость диффузии определяется скоростью движения молекул, то есть скорость диффузии прямо зависит от температуры. Чем она выше, тем скорее протекает данная стадия.
- Между молекулами растворяющегося вещества и молекулами растворителя (воды) образуется новая связь. Это уже может быть как эндо-, так и экзотермическй процесс. То есть при взаимодействии молекул растворителя и твердого вещества может как выделяться теплота, так и поглощаться. Всё зависит от природы растворителя и растворяемого вещества.
Итак, как же объясняется известное правило "подобное растворяется в подобном", означающее, что полярные вещества лучше растворяются в полярных растворителях, а неполярные - в неполярных? Важно в данном случае иметь ввиду, что формулировка правила, данная в кавычках выше не совсем точна. Растворение различных по полярности ОБЫЧНО не происходит, да и то - не происходит видимым образом ввиду чрезвычайно низкой скорости.
Процесс растворения - это, чаще всего, самопроизвольно протекающий процесс наблюдать который можно без наличия катализаторов в системе. Это означает, что в результате растворения должно выделяться достаточное количество энергии для образования новой связи между растворяемым веществом и растворителем.
Причины нерастворимости
Между молекулами неполярных веществ существуют силы притягивающие их друг к другу - ван-дер-ваальсовы силы (или силы Лондона). Это относительно слабые силы для их разрыва нужно совсем немного энергии. Между полярными молекулами имеются более прочные связи (водородные или диполь-дипольные связи).
Рассмотрим комбинации растворителей и растворяемых веществ:
ПОЛЯРНЫЙ растворитель + ПОЛЯРНОЕ вещество
Между молекулами растворителя относительно прочные связи (водородные в случае воды). Между молекулами растворяемого вещества так же прочные диполь-дипольные связи. Для разрыва как первых так и вторых требуется большое количество энергии, которая как раз и выделяется в случае образования диполь-дипольной связи, но уже между растворителем и веществом.
ПОЛЯРНЫЙ растворитель + НЕПОЛЯРНОЕ вещество
Для разрыва прочных диполь-дипольных (или водородных) связей нужно большое количество энергии, а между полярным и неполярным веществом могут образоваться только слабые ван-дер-ваальсовы силы. То есть выделяется недостаточное количество энергии для заметно быстрого протекания растворения.
НЕПОЛЯРНЫЙ растворитель + ПОЛЯРНОЕ вещество
Причина плохой растворимости та же, что и в предыдущем случае. Выделяется энергии меньше, чем требуется.
НЕПОЛЯРНЫЙ растворитель + НЕПОЛЯРНОЕ вещество
Для разрыва слабых ван-дер-ваальсовых сил как в случае с растворителя, так и в случае растворяемого вещества не нужно большое количество энергии. Выделяется столько сколько потребляется - растворение происходит.
Другие факторы, влияющие на степень растворимости веществ
Гидрофобность неполярных веществ и энтропия
Введение в воду гидрофобных веществ выталкивает воду и определенным образом её ориентирует. Другими словами несколько снижает возможности её движения, а значит уменьшает энтропию системы. Следовательно система будет стремиться к минимизации соприкосновения веществ, что будет сильно мешать растворению.
Размер растворяемых частиц
На растворимость твердого вещества влияет также плотность упаковки молекул в кристаллической решетке. Приведём такой пример. AgCl менее растворим в воде, чем AgNO₃. Лучше всего это можно объяснить тем, что ионы серебра и хлора имеют почти одинаковый размер, и, следовательно, они могут быть более плотно упакованы вместе. То есть Их труднее разделить и растворить. Меньше площадь соприкосновения с водой.
Ионная сила раствора
При введении в раствор малорастворимой соли дополнительной соли, не имеющей с ней одноименных ионов (к примеру добавление к PbSO₄ добавку из соли NaNO₃), растворимость первой увеличится. Это произойдёт из-за увеличения ионной силы раствора. Растворимость увеличится благодаря взаимодействию добавленного вещества и исходного. Добавление новых ионов как бы "расшатает" молекулы плохо растворимого осадка, увеличит их подвижность. Данный эффект называется солевым эффектом (или эффектом высаливания).
Таким образом, множество факторов влияет на растворимость веществ. Важно помнить, что правило о растворимости подобных веществ является не вполне точным. Из него есть большое количество исключений. Основной вывод, который можно сделать - растворение произойдёт в том случае, когда это возможно термодинамически.
