Przypomnijcie sobie:
• związki chemiczne mają stały skład, który zapisujemy przy pomocy wzoru chemicznego; liczbę atomów pierwiastka w molekule lub formuły jednostkowej zapisujemy w indeksie, liczbę oddzielnych atomów, molekuł lub formuł jednostkowych pokazujemy jako wielokrotność;
• w odróżnieniu od związków chemicznych roztwory i inne mieszaniny nie mają stałego składu;
• termin „jednostka formuły" stosuje się zamiast terminu „molekuła" dla substancji o budowie jonowej lub atomowej.
Woda - rozpuszczalnik polarny
Woda - najbardziej rozpowszechniony rozpuszczalnik w przyrodzie. W molekule wody między atomami tlenu i wodoru zachodzi polarny związek kowalencyjny, dzięki któremu na atomie tlenu pojawia się pewien ujemny ładunek elektryczny, a na atomach wodoru — dodatni (rys. 4.1). Tak więc, molekuła wody ze strony atomu tlenu jest naładowana ujemnie, a ze strony wodoru - dodatnio. Cząsteczkę, w której na różnych jej końcach istnieją bieguny ładunków, nazywamy dipolem. Molekuła wody jest dipolem, który można umownie przedstawić przy pomocy elipsy, jak na rysunku 4.2. Dzięki takiemu rozdzieleniu ładunków elektrycznych molekuła wody jest polarna, a wodę nazywamy rozpuszczalnikiem polarnym, przy czym wśród wszystkich znanych nam rozpuszczalników woda jest najbardziej polarna.
Rozpuszczanie substancji w wodzie
Zbadamy proces rozpuszczania soli w wodzie - substancji o budowie jonowej. W momencie dostania się kryształu soli do wody molekuły wody otaczają naładowane jony: do dodatnio naładowanych jonów - biegunem dodatnim (rys. 4.3). Molekuły wody zaczynają przyciągać jony do siebie. Kiedy siła przyciągania jonów do molekuł wody staje się większa od siły, która utrzymuje jony między sobą, jon w otoczeniu molekuł wody zamienia się w roztwór. Molekuły wody, które otaczają jony w roztworze nazywamy otoczką hydratacyjną, a same jony, otoczone molekułami wody - hydratami (wodzianami). W podobny sposób rozpuszczają się w wodzie substancje molekularne.
W procesie rozpuszczania substancji można wydzielić trzy etapy:
1) oddziaływanie cząsteczek substancji z molekułami rozpuszczalnika - hydratacja;
2) niszczenie struktury substancji (sieci krystalicznej;
3) rozłożenie cząsteczek hydratowanych w roztworze - dyfuzja (rys. 4.4).
Efekty cieplne podczas rozpuszczania
Podczas tworzenia hydratów ciepło wydziela się dzięki utworzeniu nowych międzymolekularnych wiązań między cząsteczkami, a w czasie stadium niszczenia kryształu - jest pochłaniane: energia zużywa się na niszczenie wiązań między cząsteczkami w krysztale.
W zależności od ogółu efektów cieplnych na dwóch etapach proces rozpuszczania odbywa się z pochłanianiem lub wydzielaniem ciepła (Q):
• jeżeli podczas hydratacji wydziela się więcej energii, niż jest pochłanianej na niszczenie siatki krystalicznej, to podczas rozpuszczania substancji ciepło wydziela się i roztwór nagrzewa się;
• jeżeli na niszczenie kryształu traci się więcej energii, niż wydziela się podczas hydratacji, to roztwór schładza się.
W większości przypadków podczas rozpuszczania substancji w wodzie wydzielanie lub pochłanianie ciepła odbywa się niezauważalnie, ponieważ najczęściej rozpuszczamy niewielkie ilości substancji. Temperatura takiego roztworu jeżeli się zmienia, to tylko o parę stopni, co jest trudne do zaobserwowania bez termometru. Ale czasami efekty cieplne są dobrze widoczne. Otóż, podczas rozpuszczania koncentratu kwasu siarkowego w wodzie wydziela się tak dużo energii cieplnej, że woda może się zagotować. Podczas rozpuszczania niektórych soli, na przykład azotanu amonu, roztwór znacząco się schładza, powierzchnia szklanki pokrywa się kropelkami wody i może przymarznąć do stołu (rys. 4.5).
Proces rozpuszczania w pewnej mierze można nazwać zarówno fizycznym, jak i chemicznym. Z jednej strony, podczas rozpuszczania substancji odbywa się jej rozdrobnienie, co jest znakiem procesu fizycznego. Z drugiej strony, podczas rozpuszczania obowiązkowo odbywa się pochłanianie lub wydzielanie ciepła, a w pewnych przypadkach nawet tworzą się nowe substancje, co jest oznaką procesu chemicznego. W tym, proces rozpuszczania nie dotyczy ani jednego, ani drugiego, a nazywa się procesem fizyczno-chemicznym.
Jak szybciej można rozpuścić substancję?
Wiedząc, w jaki sposób odbywa się rozpuszczanie substancji, możemy przypuszczać, jak przyśpieszyć ten proces. Na szybkość rozpuszczania, po pierwsze, wpływa stopień rozdrobnienia substancji', czym drobniejsze kryształy, tym większa powierzchnia stykania się substancji z rozpuszczalnikiem, i substancja szybciej rozpuszcza się.
Po drugie, na szybkość rozpuszczania wpływa mieszanie', proces dyfuzji jest dość trwały, a mieszając, już hydratowane cząsteczki nie zbierają się wokół kryształu, a oddalają się od niego, zwalniając miejsce dla jeszcze nie związanych molekuł roztworu.
Po trzecie, na szybkość rozpuszczania wpływa temperatura roztworu. Wiecie już, że w gorącej wodzie cukier rozpuszcza się o wiele szybciej, niż w zimnej. Związane to jest z tym, że w gorącym rozpuszczalniku szybkość dyfuzji jest znacznie większa. Również ważne jest to, że w wyniku podwyższenia temperatury molekuły lub jony w sieciach krystalicznych ruszają się szybciej, i to ułatwia niszczenie sieci krystalicznej substancji.
Krystaliczne wodziany
W składzie niektórych soli czasami mieszczą się molekuły wody. Na przykład, siarczan miedzi (rys. 4.6) - to substancja krystaliczna, która składa się z siarczanu miedzi(II) i wody. Ale w odróżnieniu od roztworu siarczanu miedzi(II), w którym stosunek soli i wody może być dowolny, w siarczanie miedzi na każdą jednostkę wzoru siarczanu miedzi(II) przypada pięć molekuł wody. To istotnie odróżnia siarczan miedzi od siarczanu miedzi(II). Tak więc, koperwas miedziany jest indywidualnym związkiem chemicznym z pewnym wzorem chemicznym, a nie mechaniczną mieszaniną dwóch substancji.
Substancji, w których składzie, oprócz soli, znajduje się woda, jest dosyć dużo, wszystkie one mają budowę krystaliczną, dlatego nazywa-
ne są krystalicznymi wodzianami. Wodę, która znajduje się w składzie krystalicznych wodzianów, nazywa się krystalizacyjną.
Krystaliczne wodziany - to nietrwałe substancje krystaliczne, które składają się z soli i wody krastalizacyjnej w pewnej proporcji.
Ponieważ krystaliczne wodziany mają pewien skład stały, można go opisać przy pomocy wzoru chemicznego. Na przykład, skład koperwa-su miedzianego zapisujemy tak: CuS04-5H20. Według współczesnego nazewnictwa miedziany koperwas ma nazwę siarczan miedzi(II) penta-hydrat (pięciowodzian), a jego wzór najczęściej wymawia się tak: ce u es o cztery na (razy) pięć molekuł wody.
Większość krystalicznych wodzianów ma jaskrawą barwę i swoje zwyczajowe nazwy (rys. 4.6).
Najczęściej krystaliczne wodziany są związkami nietrwałymi, które podczas podgrzewania lekko tracą wodę krystalizacyjną, przemieniając się w zwyczajne sole bezwodne. Tak, podczas podgrzewania miedzianego koperwasu niebieskie kryształy zamieniają się w biały proszek bezwodnego siarczanu miedzi(II) (rys. 4.7, s. 30):
Rys. 4.7. Zmiana koloru siarczanu miedzi: a - w przypadku utraty wody podczas podgrzewania; b - w przypadku dodawania wody do bezwodnej soli
Podczas przechowywania soli bezwodnych w niehermetycznych pojemnikach pochłaniają one wodę z powietrza i przekształcają się w krystaliczne wodziany (rys. 4.7, b). Większość gruntów, skał i minerałów są krystalicznymi wodzianami różnych związków.
Zadanie lingwistyczne
Już z 7 klasy znacie pojęcie „hydrat" (wodzian), które oznacza „produkt połączenia wody". Co wspólnego mają i czym się różnią pojęcia „hydrat" i „krystaliczny wodzian"?
Myśl główna
Woda - polarny rozpuszczalnik i dobrze rozpuszcza inne polarne ciecze. W roztworach właściwych substancji występuje w postaci hydratów (wodzianów) -
oddzielnych jonów lub molekuł, otoczonych molekułami wody.
Pytania kontrolne
42. Dlaczego molekuła wody jest polarna? Jakie cząsteczki nazywamy dipolami?
43. Opiszcie proces rozpuszczania substancji w wodzie.
44. Dlaczego podczas rozpuszczania substancji jest pochłaniane albo wydzielane ciepło? Od czego to zależy?
45 Do jakich procesów - fizycznych lub chemicznych - należy proces rozpuszczania? Odpowiedź objaśnij.
46. Jakie czynniki i jak wpływają na szybkość rozpuszczania substancji? Jakie warunki trzeba stworzyć, aby przśpieszyć rozpuszczanie?
47. Czy można wydzielić wodę krystalizacyjną z krystalicznych wodzianów? W jaki sposób?
Zadania utrwalające wiedzę
48. Jak odróżnić krystaliczny wodzian od bezwodnej soli?
49. Ułóżcie równanie reakcji, która zachodzi podczas podgrzewania soli glau-berskiej i sody krystalicznej.
50. Siarczan magnezu tworzy krystaliczny wodzian, który również nazywamy solą angielską. Uczeń rozpuścił sól angielską o masie 1,23 g w wodzie i dodał roztwór chlorku baru przed zakończeniem procesu utworzenia osadu. Masa osadu stanowiła 1,165 g. Określcie skład soli angielskiej.
51. Określcie wzór krystalicznego wodzianu węglanu sodu, jeżeli wiadomo, że podczas podgrzewania tej substancji o masie 14,3 g jej masa zmniejszyła się o 9 g.
52. W podaniach ludowych spotykamy sytuację, w której bohater wyczarowuje wodę z kamienia. Czy jest to możliwe z punktu widzenia chemii?
53. Jak uważasz, czy odróżnia się mechanizm rozpuszczania substancji molekularnych i jonowych? Z jakim rodzajem łączenia substancje lepiej rozpuszczają się w wodzie? Odpowiedź uzasadnij.
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz