Растворение и растворимость

Материал из Выращивание кристаллов
Перейти к: навигация, поиск
ВсеТеоретические сведенияРастворение и растворимость

Основная статья: Раствор.
Основная статья: Растворение.
Основная статья: Растворимость.

Раствор - однородная (гомогенная) смесь, состоящая из атомов, молеку и ионов (частиц) двух и более веществ, а также продуктов их реакции. Обычно под этим термином подразумевают растворы веществ в жидких растворителях, но также растворы могут быть газообразными и твердыми.

Растворитель - компонент раствора, число частиц которого преобладает над числом остальных компонентов. Эти компоненты, в свою очередь, называются растворимыми веществами.

Растворение

Растворением называют процесс образования раствора. В общем случае процесс состоит из двух этапов:

  • Физическое взаимодействие растворителя и растворимых веществ - например, фазовый переход.
  • Химическое взаимодействие растворителя и растворимых веществ - например, диссоциация, сольватация, гидратация и гидролиз.

Фазовый переход

Изменение фазы растворимого вещества при образовании раствора происходит на молекулярном или атомном уровне. Частицы растворителя благодаря эффекту диффузии проникают в кристаллическую решетку растворяемого вещества и разрушают ее. При этом частицы растворимого вещества постепенно переходят в раствор, а частицы растворителя все дальше внедряются в кристаллическую решетку.

Разрушение кристаллической решетки вещества приводит к увеличению энтропии, а значит к поглощению тепла из раствора и окружающей среды, иногда значительному - например, образование концентрированного раствора нитрата аммония в горячей воде приводит к его быстрому охлаждению до комнатной температуры и ниже.

Диссоциация

Если растворитель и растворяемое вещество имеет ионное строение или имеет ковалентные полярные связи, в процессе растворения происходит диссоциация - взаимодействие частиц растворителя и растворимого вещества с образованием положительно и отрицательно заряженных ионов - анионов и катионов, соответственно. Растворимое вещество и раствор называют при этом электролитами, такие растворы проводят электрический ток.

Если растворимое вещество не имеет подобного строения или связей, диссоциация не происходит, и вещество называют неэлектролитом. Такие растворы не проводят электрический ток.

Данный процесс имеет химическую природу и связан с притяжением заряженных частей молекулы растворителя к противоположно заряженным частям молекулы растворимого вещества, после чего происходит их разделение на отдельные частицы. Рассмотрим процесс на примере растворения повареннной соли в воде.

В нейтрально заряженной молекуле поваренной соли NaCl все электроны притянуты к иону хлора, т.е. ион хлора имеет отрицательный заряд, а ион натрия положительный. В нейтрально заряженной молекуле воды H2O электроны больше сосредоточены возле иона кислорода, а значит он обладает частичным отрицательным зарядом, а ионы водорода - положительным. При диссоциации молекулы воды приближаются к молекуле поваренной соли, при этом ионы натрия притягиваются к ионам кислорода, а ионы хлора к ионам водорода. Из-за этого связь между ионами натрия и хлора ослабевает, расстояние между ними увеличивается все больше, т.к. они притягиваются ко все большему числу молекул воды, пока вещество не начинает существовать в виде отдельных ионов.

Процесс диссоциации может происходить с выделением тепла, иногда настолько значительным, что величина выделяемой энергии может превысить энергию, поглощаемую при фазовом переходе. Такое происходит при растворении твердых щелочей в воде, например гидроксида натрия.

Растворение с выделением тепла называют экзотермичным, а с поглощением - эндотермичным.

Диссоциация может происходить в несколько этапов. Например, растворение трехосновной кислоты, такой как фосфорная H3PO4 , в полярном растворителе может приводить к отщеплению от молекулы кислоты сначала одного ([H2PO4]- ), затем двух ([HPO4]2- ) и после этого трех ([PO4]3- ) ионов водорода. Однако, в связи с тем, что при отщеплении очередного иона водорода заряд кислотного остатка становится все более отрицательным, каждый следующий ион отщепить все сложнее, из-за чего в растворе больше присутствует ионов [H2PO4]- , чем [PO4]3- .

В зависимости от того, как много ионов присутствует в растворе по сравнению с молекулами исходного вещества, различают слабые и сильные электролиты. У слабых электролитов число ионов в растворе сравнимо с числом молекул, сильные полностью диссоциируют на ионы при растворении.

К слабым электролитам относится вода, гидроксиды переходных металлов, некоторые органические вещества. К сильным - соли, щелочи и некоторые неорганические кислоты.

Сольволиз и гидролиз

В некоторых случаях растворенное вещество и растворитель могут реагировать с образованием новых веществ. Такой процесс называется сольволизом, а если растворителем выступает вода - гидролизом.

Зачастую подобным образом реагируют соли, состоящие из катионов переходных металлов и кислотных остатков слабых кислот, к примеру ацетат кобальта(II). При диссоциации таких веществ катионов образуется больше, чем анионов, из-за слабой степени диссоциации последних. Из-за этого катионы начинают образовывать соединения с растворителем, из-за чего выпадают осадки соответствующих солей - для воды это гидроксиды или гидроксосоли, например гидроксид кобальта(II) или гидроксокарбонат (II).

В большинстве случаев этот процесс можно предотвратить, внеся дополнительные анионы в раствор, т.е. изменив его pH путем добавления кислоты.

Сольватация и гидратация

После того, как вещество частично или полностью диссоциировало на ионы, они свободно перемещаются в объеме раствора. Однако, они по-прежнему обладают электрическим зарядом, из-за чего вокруг них скапливаются молекулы или ионы растворителя, имеющие противоположный заряд. В зависимости от свойств конкретных веществ, силы притяжения могут быть достаточно сильными, чтобы частицы растворителя образовывали достаточно "оболочку" вокруг ионов растворенного вещества. Такое процесс называют сольватацией, а оболочки - сольватами. Если в качестве растворителя используется вода, говорят о гидратации и гидратах, соответственно.

Образуемые "агрегаты" из молекул могут обладать свойствами, отличающимися от свойств исходных веществ. Более подробно про них можно узнать в разделе кристаллогидраты.

Растворимость

Стоит отметить, что зачастую существует ограничение на то, сколько растворяемого вещества может присутствовать в растворе при данных условиях. Это связано с тем, что на гидратацию и сольватацию требуется большое число частиц растворителя, которые уже не могут принимать участие в процессе разрушения кристаллической решетки, а значит последний начинает занимать все больше и больше времени, а затем его скорость и вовсе становится близка к нулю.

О таком растворе говорят, что он достиг насыщения, а количество вещества, при котором оно достигается, называют растворимости в определенном растворителе. Это предельное количество вещества, которое может находиться в растворе при заданных условиях.

Факторы

Растворимость зависит от множества факторов:

  • Температура - обычно большинство веществ лучше растворимы при повышении температуры, за исключением газов и некоторых солей;
  • Давление - при повышении давления растворимость обычно повышается благодаря большему числу столкновений частиц растворителя с частицами вещества;
  • Тип вещества и растворителя. Здесь используется принцип "подобное растворяется в подобном", т.е. полярные растворители охотно растворяют ионные вещества или вещества с ковалентными полярными связями, чем неполярные, и наоборот.

Концентрации

Различают следующие концентрации растворов:

  • Ненасыщенные - растворы, в которых число частиц вещества не достигло предельного значения;
  • Насыщенные - растворы, в которых находится максимальное число частиц вещества;
  • Пересыщенные или перенасыщенные - растворы, в которых число частиц вещества превышает максимально возможное.

Имеет смысл говорить о концентрации как о равновесии вещества и растворителя в растворе.

Так, насыщенный раствор может стать ненасыщенным при увеличении температуры раствора. Это приведет к тому, что находящийся в растворе кристалл вещества может начать растворяться, чтобы концентрация снова достигла равновесия.

А при уменьшении растворимости (например, при охлаждении насыщенного раствора) образуется пересыщенный раствор. Такой раствор нельзя получить при нормальных условиях, потому что больше, чем максимальная растворимость, вещество раствориться не может, но если такой раствор не подвергается резким изменениям (температуры, движение), данное состояние может существовать достаточно долго. Но как только в растворе появляются центры кристаллизации, "излишек" вещества выпадает в виде кристаллов, а раствор становится насыщенным.

Величина растворимости

Основная статья: Растворимость/Растворим.
Основная статья: Растворимость/Характеристика.
Концентрации описывают отношение текущего количества растворенного вещества к максимально возможной при данных условиях. Однако до его достижения кристаллизация не начнется, поэтому обычно систему растворимое вещество - растворитель описывают именно с точки зрения соотношения, при котором раствор становится насыщенным.

На страницах данного сайта используется следующее деление веществ по растворимости:

  • очень хорошо растворим - минимально возможная растворимость более 100 грамм на 100 грамм растворителя;
  • хорошо растворим - более 10 грамм на 100 грамм растворителя;
  • средне растворим - более 1 грамма на 100 грамм растворителя;
  • плохо растворим - от 0,01 грамма и более на 100 грамм растворителя;
  • нерастворим - менее 0,01 грамм на 100 грамм растворителя.

Исходя из этой шкалы можно считать, что для максимальной скорости роста кристалла необходимо использовать вещества, хорошо или очень хорошо растворимые в растворителе. С точки зрения выращивания поликристаллов это так, но в случае выращивания монокристаллов все сложнее.

При излишне высокой скорости испарения растворителя затравки начинают в большом количестве образовываться по всему объему раствора. Это приводит к тому, что монокристалл, расположенный на дне или в объеме раствора (например, подвешенный на нити), вместо образования новых слоев вещества (т.е. его роста) будет "обрастать" монокристаллами, образованными из множества новых затравок. Достаточно быстро это приведет к тому, что монокристалл превратится в поликристалл, вплоть до кристаллизации всего раствора или большей его части в один крупный бесформенный кусок растворенного вещества.

В то же время, если брать вещества с низкой растворимостью в растворителе, испарение растворителя приводит к тому, что растворимость понижается только возле поверхности раствора или стенок емкости, так как касающийся их объем раствора просто не успевает перемешаться с остальной частью раствора. Это приводит к образованию затравок в данных областях, а не к увеличению уже существующих, из-за чего образуется множество очень мелких монокристаллов. Со временем они также срастутся в поликристалл.

Оптимальным является использование средне растворимых веществ, поскольку скорость испарения растворителя в таких растворах сопоставима со скоростью естественного перемешивания раствора (в следствие диффузии и конвекции), а значит в основном в емкости будут расти монокристаллы.

Примеры

Подробная информация о растворимости конкретных веществ приведена на их страницах, а также в разделах:

Рекомендуемые материалы

Навигация