Rozpuszczalność substancji
Zdolność substancji do rozpuszczania w wodzie nazywa się rozpuszczalnością. Według rozpuszczalności substancje dzielimy na dobrze rozpuszczalne, słabo rozpuszczalne i praktycznie nierozpuszczalne (schemat 3). Schemat 3. Klasyfikacja substancji według rozpuszczalności w wodzie
Jeżeli w roztworze w rezultacie reakcji chemicznej tworzy się substancja słabo rozpuszczalna lub praktycznie nierozpuszczalna w wodzie, to wytrąca się ona w postaci osadu - roztwór traci przeźroczystość (klarowność), staje się mętny.
Rozpuszczalność niektórych substancji nieorganicznych podano w tabeli rozpuszczalności kwasów, soli i wodorotlenków w wodzie (patrz wyklejka 2).
Granice rozpuszczalności substancji
Większość substancji mają ograniczoną rozpuszczalność w różnych rozpuszczalnikach. Stopień ich rozpuszczalności wyraża się liczbą, która
wskazje największą masę substancji, która może się rozpuścić w 100 g rozpuszczalnika w pewnych warunkach. Tę liczbę nazywamy współczynnikiem rozpuszczalności, albo po prostu rozpuszczalnością. Na przykład, w 100 g wody przy 20 °C można rozpuścić nie więcej niż 32 g KN03, 36 g NaCl, 0,25 g CaS04 i tylko 0,007 g CaCOg. Dane te można znaleźć w informatorach.
Zwróćcie uwagę: węglan wapnia, który uważa się za praktycznie nierozpuszczalny, w rzeczywistości w niewielkim stopniu przechodzi w ciecz. Całkowicie nierozpuszczalne substancje nie istnieją.
Niektóre ciecze, na przykład spirytus etylowy, glicerol, aceton, kwas siarkowy, azotowy i octowy, bez ograniczeń rozpuszczają się w wodzie -można je mieszać z wodą w dowolnych proporcjach (rys. 6.1). Benzyna, nafta, olej, chloroform i wiele innych cieczy można rozpuszczać w wodzie w stopniu minimalnym, dlatego są one uważane praktycznie za nierozpuszczalne. Jeżeli taką ciecz, na przykład olej roślinny, wlać do wody i wymieszać (rys. 6.2, a), to po jakimś czasie utworzą się dwie oddzielne warstwy - górna (olej) i dolna (woda) (rys. 6.2, b). O takich cieczach mówimy, że mają one ograniczoną mieszalność.
Gazy również znacząco różnią się rozpuszczalnością. Najbardziej rozpuszczalnym w wodzie jest chlorowodór HC1 i amoniak NHg. Przy temperaturze 0°C i ciśnieniu atmosferycznym w 1 1 wody można rozpuścić 500 1 chlorowodoru i 1200 1 amoniaku!
Rozpuszczalność innych gazów w wodzie jest znacznie mniejsza. Tak więc, w tych samych warunkach w 1 1 wody rozpuszcza się tylko 1,7 1 dwutlenku węgla, 50 ml tlenu, 23 ml azotu i 21,5 ml wodoru. Najsłabiej rozpuszczalnym gazem jest hel - 9,7 ml w 1 1 wody.
Zależność rozpuszczalności substancji od temperatury
Rozpuszczalność substancji zależy od temperatury. Dla większości substancji stałych wraz z podwyższaniem temperatury ona się zauważalnie zwiększa. Sól kuchenna prawie jednakowo rozpuszcza się w zimnej i gorącej wodzie, a wapno i gips lepiej rozpuszczają się w zimnej wodzie.
Przy podwyższaniu temperatury rozpuszczalność:
• substancji stałych i ciekłych się zwiększa;
• substancji gazowych zmniejsza się.
Eksperymentalnie udowodniono, że w temperaturze 0°C w 100 g wody można rozpuścić nie więcej niż 13 g saletry potasowej KN03, w 40 °C - 64 g, a w 100 °C - 244 g. Zależność rozpuszczalności od temperatury pokazano na krzywych rozpuszczalności (rys. 6.3).
Rozpuszczalność substancji gazowych, odwrotnie, ze zwiększeniem temperatury się zmniejsza (rys. 6.4). Jeżeli zimną wodę wodociągową podgrzewać, nie doprowadzając do jej wrzenia, to na dnie i ściankach naczynia utworzą się pęcherzyki powietrza, które było rozpuszczone w wodzie i zaczęło z niej się wydzielać.
Zależność rozpuszczalności substancji od ciśnienia
Inaczej niż cieczy i substancji stałych, rozpuszczalność gazów zależy też od ciśnienia: gazy o wiele lepiej rozpuszczają się w podwyższonym ciśnieniu. Na pewno otwieraliście butelkę z wodą gazowaną. Podczas produkcji napojów gazowanych wodę nasącza się dwutlenkiem węgla przy podwyższonym ciśnieniu, a butelkę hermetycznie
się zamyka. W momencie otwierania butelki ciśnienie w niej wyrównuje się z ciśnieniem atmosferycznym, rozpuszczalność dwutlenku węgla natychmiast się zmniejsza i nadmiar dwutlenku węgla zaczyna się burzliwie wydzielać.
W podwyższonym ciśnieniu rozpuszczalność:
• substancji stałych i ciekłych praktycznie się nie zmienia;
• substancji gazowych się zwiększa.
Już alchemicy sformułowali jedną z głównych zasad, która określa rozpuszczalność substancji: podobne rozpuszcza się w podobnym. Bazując na tej zasadzie, można objaśnić, dlaczego niektóre substancje rozpuszczają się w jednym rozpuszczalniku a nie rozpuszczają się w innym. Substancji, które rozpuszczałyby się absolutnie we wszystkich rozpuszczalnikach, nie ma. Tak więc, polarne substancje dobrze się rozpuszczają w polarnych rozpuszczalnikach (woda, alkohol etylowy itpj, gorzej rozpuszczają się w słabo polarnych (aceton itp.) i prawie nie rozpuszczają się w niepolarnych (benzen, eter naftowy itp.). Na przykład, cukier dobrze rozpuszcza się w wodzie i w ogóle nie rozpuszcza się w benzenie. I na odwrót, niepolarne substancje dobrze rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach i źle - w polarnych. Na przykład, siarka nie rozpuszcza się (i nawet nie nawilża się) w wodzie, ale dobrze rozpuszcza się w benzenie.
Podczas wyprawy azjatyckiej wojsko Aleksandra Macedońskiego wiosną 326 r. p.n.e doszło do brzegów rzeki Indus. Ale, wstępując na ziemie Indii, żołnierze zaczęli bardzo chorować na infekcje przewodu pokarmowego, co zmusiło Aleksandra do odwrotu. Zauważono, że żołnierze chorowali o wiele częściej, niż dowódcy, chociaż w czasie wypraw mieszkali w jednakowych warunkach. Dopiero po 2000 lat została odkryta przyczyna, dlaczego tak się stało: szeregowi żołnierze pili wodę z ołowianych kielichów, a dowódcy mieli srebrne. A srebro, chociaż w bardzo małych ilościach, rozpuszcza się w wodzie, nadając jej bakteriobójcze właściwości (w takiej wodzie niszczone są bakterie). Od XIX w. do wynalezienia antybiotyków takiej wody używano do przemywania ran.
Myśl główna
Niektóre substancje w dowolnych ilościach rozpuszczają się w wodzie, ale większość substancji ma rozpuszczalność ograniczoną. Według tej zasady wyróżniamy substancje rozpuszczalne, słabo rozpuszczalne i praktycznie nierozpuszczalne.
Pytania kontrolne
60. Podajcie przykłady kwasów rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych w wodzie.
61. Podajcie przykłady rozpuszczalnych, słabo rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych soli.
62. Jakie znacie ciecze i gazy, które dobrze rozpuszczają się w wodzie?
63. Podajcie przykłady substancji, których rozpuszczalność w razie podgrzewania: a) zwiększa się; b) zmniejsza się; c) prawie się nie zmienia.
Zadania utrwalające wiedzę
64. Dlaczego do akwariów nie można wlewać wody przegotowanej?
65. Do wody przez przypadek dostała się benzyna. Jak można ją oddzielić od wody? Czy woda będzie miała zapach benzyny, jeżeli oddzielenie przeprowadzimy metodą: a) sedymentacji; b) destylacji?
66. Które z wymienionych gazów - tlen, chlorowodór, azot, amoniak, hel - można zbierać: a) nad wodą; b) tylko przy pomocy wypierania powietrza? Dlaczego?
67. Za pomocą krzywej rozpuszczalności (rys. 6.3) wyznaczcie, jaką masę soli można rozpuścić w 1 kg wody: a) azotanu srebra(l) w temperatrurze 0°C; b) azotanu sodu w temperaturze 20°C; c) siarczanu miedzi(ll) w 30°C; d) chlorku ołowiu(ll) w temperaturze 100°C; e) azotanu potasu w temperaturze 10 i 50 °C.
68. Według krzywej rozpuszczalności (rys. 6.3) wyznacz: a) sól, której rozpuszczalność jest najmniejsza wśród wymienionych; b) sól, której rozpuszczalność jest największa w temperaturze 0°C Ta 20°C; c) sól, której rozpuszczalność najbardziej zależy od temperatury; d) sól, której rozpuszczalność najmniej zależy od temperatury.
69. Według ilustracji 6.3 porównajcie rozpuszczalność siarczanu miedzi(ll) i chlorku sodu w temperaturze 20 °C Ta 80 °C.
70. W wodzie o temperaturze 80 °C rozpuszczono maksymalną ilość azotanu sodu. Roztwór ostudzono do temperatury pokojowej. Co zaobserwujemy?
71. Podczas produkcji wody silnie gazowanej w jednej butelce wody o objętości 1 I rozpuszcza się prawie 1600 ml dwutlenku węgla. W tej samej otwartej butelce w stanie rozpuszczonym pozostaje prawie 880 ml dwutlenku węgla. Jaka objętość dwutlenku węgla wydzieli się w razie otwarcia butelki silnie gazowanej o objętości 1 I. Więcej czy mniej gazu wydzieli się, jeżeli butelkę wcześniej ochłodzić? A jeżeli butelka była przechowywana w miejscu ciepłym (na słońcu)?
72. W laboratorium przed zajęciami o chemicznych właściwościach dwutlenku węgla przygotowano wodę wapienną. W tym celu w wodzie o masie 150 g rozpuszczono maksymalnie dopuszczalną ilość wodorotlenku wapnia. Proszę obliczyć, jaką maksymalną masę osadu można uzyskać podczas przepuszczania dwutlenku węgla przez przygotowany roztwór. Dla obliczeń wykorzystajcie informację z ilustracji 6.3, jeżeli temperatura w laboratorium wynosiła 20 °C.
73. W temperaturze pokojowej w wodzie o objętości 1 I maksymalnie rozpuszcza się 6,3 •10"3 mola fluorku baru. Obliczcie masę takiej ilości substancji fluorku baru. Jaką substancją (rozpuszczalną, słabo rozpuszczalną czy praktycznie nierozpuszczalną) jest fluorek baru?
74. Według informacji paragrafu określcie, jakimi substancjami (rozpuszczalnymi, słabo rozpuszczalnymi, praktycznie nierozpuszczalnymi) są: a) amoniak; b) dwutlenek węgla; c) tlen. Odpowiedź objaśnijcie.
75. Według ilustracji 6.3 określcie, o ile więcej (według masy) azotanu potasu można maksymalnie rozpuścić w 100 g wody w temperaturze 60°C, niż w 30°C.
76. Zaproponujcie plan eksperymentu dla określenia rozpuszczalności substancji w wodzie. Jakie pomiary musicie zrobić, aby osiągnąć cel? Jakie czynniki wpłyną na dokładność eksperymentu?
Źródło: Chemia podręcznik dla klasy 9 Hryhorowycz