Растворимость веществ зависит от природы растворителя и вещества, которое растворяется, а также от условий растворения: температуры, давления (для газов), концентрации, наличия других растворенных веществ.

Одни вещества растворяются в определенном растворителе хорошо, другие - плохо. Но можно и количественно оценить способность того или иного вещества к растворению или, другими словами, растворимость вещества.

Растворимостью называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.

По растворимости в воде все вещества делятся на три группы:

― хорошо растворимые (р),

― малорастворимые (м),

― практически нерастворимые (н).

Однако следует отметить, что абсолютно нерастворимых веществ нет. Если опустить в воду стеклянную палочку или кусочек золота или серебра, то они в ничтожно малых количествах все же будут растворяться в воде.

Примером малорастворимых в воде веществ могут служить гипс, сульфат свинца (твердые вещества), диэтиловый эфир, бензол (жидкие вещества), метан, азот, кислород (газообразные вещества).

Многие вещества в воде растворяются весьма хорошо. Примером таких веществ могут служить сахар, медный купорос, гидроксид натрия (твердые вещества), спирт, ацетон (жидкие вещества), хлороводород, аммиак (газообразные вещества). Следует отметить, что растворимость твердых веществ зависит от степени их измельчения. Мелкие кристаллики, размеры которых меньше примерно 0,1 мм, более растворимы, чем крупные.

Растворимость, выраженная при помощи массы вещества, которое может раствориться в 100 г воды при данной температуре, называют также коэффициентом растворимости.

Предельная растворимость многих веществ в воде (или в других растворителях) представляет собой постоянную величину, соответствующую концентрации насыщенного раствора при данной температуре. Она является качественной характеристикой растворимости и приводится в граммах на 100 г растворителя при определённых условиях. Растворимость некоторых веществ в воде при комнатной температуре приведена в табл.1.

Растворимость жидкостей в жидкостях может быть полной или ограниченной. Более распространена ограниченная растворимость. При полной взаимной растворимости жидкости смешиваются в любых соотношениях. Например (спирт-вода). Жидкости с ограниченной взаимной растворимостью всегда образуют два слоя. Примером системы с ограниченной растворимостью является система бензол-вода. При смешивании этих жидкостей всегда существует два слоя: верхний слой состоит в основном из воды и содержит бензол в небольших количествах (примерно 11 %), нижний слой, наоборот, состоит в основном из бензола и содержит около 5 % воды. С увеличением температуры взаимная растворимость ограниченно растворимых жидкостей в большинстве случаев возрастает и часто при достижении определенной для каждой пары жидкостей температуры, называемой критической , жидкости полностью смешиваются одна с другой. Например, фенол и вода при t° 68,8° (критическая температура) и выше растворяются друг в друге в любых пропорциях; ниже критической температуры они лишь ограниченно растворимы друг в друге.

Вещества, для которых характерны ионный и полярный типы связи, лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, жидкий аммиак, уксусная кислота и др.). Напротив, вещества с неполярной или малополярным типом связи хорошо растворяются в неполярных растворителях (ацетон, сероуглерод, бензол и др.). Можно сформулировать общее правило взаимной растворимости веществ: «Подобное растворяется в подобном».

Зависимость растворимости твердых и газообразных веществ от температуры показывают кривые растворимости (рис. 1).

Рис. 1. Кривые растворимости твердых и газообразных веществ.

Ход кривых растворимости нитратов серебра, калия и свинца показывает, что с повышением температуры растворимость этих веществ существенно возрастает. Почти горизонтальный ход кривой растворимости хлорида натрия свидетельствует о незначительном изменении его растворимости с повышением температуры.

Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании.

По кривым растворимости можно определить:

― коэффициент растворимости веществ при различных температурах;

― массу растворимого вещества, которая выпадает в осадок при охлаждении раствора от t 1 o C до t 2 o C.

Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость уменьшается. Практически все газы растворяются с выделением тепла, поэтому с повышением температуры растворимость газов уменьшается (рис.3). Так, кипячением воды можно удалить из нее газы, которые были растворены.

В табл. 2 указаны растворимости в воде некоторых газов при различных температурах.

Растворимость газа зависит от природы жидкости и газа. Например, кислород растворяется в воде в количестве примерно вдвое большем, чем азот. Это обстоятельство имеет большое значение для жизни живых организмов в воде.

Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением - увеличивается.

Растворимость газов в воде уменьшается также при добавлении к раствору солей, ионы которых более прочно связываются с молекулами воды, чем молекулы газа, понижая тем самым его растворимость.

1. Влияние одноименного иона

При увеличении концентрации иона Cl – растворимость AgCl сначала уменьшается, а затем резко возрастает вследствие образования растворимого комплекса – . При увеличении концентрации иона Ag + растворимых комплексов не образуется, и растворимость осадка закономерно уменьшается, но при очень высоких концентрациях Ag + наблюдается некоторое увеличение растворимости, связанное с увеличением ионной силы раствора и, соответственно, увеличением реального произведения растворимости ПР с.Эффект увеличения растворимости, обусловленный увеличением ионной силы, называется солевым эффектом (или эффектом высаливания), и наблюдается всегда при увеличении концентрации электролита в растворе малорастворимого соединения.

2. Влияние конкурирующих реакций

Ионы осадка могут вступать в реакцию с компонентами раствора, собственными ионами, посторонними веществами. Наличие конкурирующих реакций всегда приводит к повышению растворимости вплоть до полного растворения осадка.

Например, в растворе оксалата кальция наряду с реакцией

CaC 2 O 4 = Ca 2+ + C 2 O 4 2– в кислой среде могут протекать конкурирующие реакции:

С 2 О 4 2– + Н + = НС 2 О 4 – НС 2 О 4 – + Н + = Н 2 С 2 О 4

Растворимость складывается из равновесных концентраций всех форм оксалат-иона:

s(С 2 О 4 2–) = +[НС 2 О 4 – ] + [Н 2 С 2 О 4 ]

Расчёты показывают, что растворимость оксалата кальция в чистой воде равна 4,8∙10 –5 моль/л, а при рН =3 - 2,0 ∙10 –4 моль/л.

3. Влияние ионной силы

Увеличение ионной силы раствора приводит к уменьшению коэффициентов активности ионов осадка, увеличению реального произведения растворимости и, как следствие, к увеличению растворимости(солевой эффект).

4. Влияние температуры

Характер влияния температуры на растворимость определяется знаком ∆Нрастворения. Чаще всего процессы растворения твёрдых веществ―эндотермические. Следовательно, повышение температуры будет способствовать растворению.

5. Влияние размеров частиц, образующих осадок

Энергия Гиббса ионов внутри кристаллов меньше, чем на поверхности. Чем меньше размеры частиц осадка, тем больше его поверхность и суммарная энергия Гиббса и, следовательно, растворимость. Таким образом, чем крупнее частицы, тем система стабильнее.

Пример1. Рассчитайте растворимость фосфата бария, если

ПР о (Ba 3 (PO 4) 2) = 6,3·10 –39 .

Решение :

Ba 3 (PO 4) 2 = 3Ba 2+ + 2PO 4 3–

Если s– растворимость фосфата бария, то: = 3s , = 2s.

ПР о = (3s) 3 (2s) 2 ­ = 108s 5 = 6,3 ·10 –39

Отсюда s = √ 6,3 ·10 –39 / 108 = 9,0 ∙10 –9 моль/л.

Пример 2. Рассчитайте произведение растворимости фторида магния, если его растворимость в воде при некоторой температуре равна 0,001 моль/л.

Одни вещества лучше растворяются в том или ином растворителе, другие хуже. Считается, что абсолютно нерастворимых веществ нет. Каждое вещество способно к растворению, пусть даже в некоторых случаях и в очень незначительных количествах (например, ртуть в воде, бензол в воде).

К сожалению, до настоящего времени, нет теории, с помощью которой можно было бы предсказать и вычислить растворимость любого вещества в соответствующем растворителе. Обусловлено это сложностью и многообразием взаимодействия компонентов раствора между собой и отсутствием общей теории растворов (особенно концентрированных). В связи с этим необходимые данные по растворимости веществ получают, как правило, опытным путем.

Количественно способность вещества к растворению характеризуется чаще всего растворимостью или коэффициентом растворимости (S).

Растворимость (S) показывает сколько граммов вещества может максимально раствориться при данных условиях (температуре, давлении) в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора.

При необходимости коэффициент растворимости определяется и для другого количества растворителя (например, для 1000 г, 100 см3, 1000 см3 и т.д.).

По растворимости все вещества в зависимости от своей природы делятся на 3 группы: 1) хорошо растворимые; 2) мало растворимые; 3) плохо растворимые или нерастворимые.

Коэффициент растворимости для веществ первой группы больше 1 г (на 100 г растворителя), для веществ второй группы лежит в интервале 0,01 - 1,0 г и для веществ третьей группы S < 0,01 г.

На растворимость веществ оказывают влияние многие факторы, главными из которых являются природа растворителя и растворяемого вещества, температура, давление, наличие в растворе других веществ (особенно электролитов).

Влияние природы веществ на растворимость

Установлено опытным путем, что в растворителе, молекулы которого полярны, лучше всего растворяются вещества, образованные ионными или ковалентными полярными связями. А в растворителе, молекулы которого неполярны, лучше растворяются вещества, образованные слабополярными или неполярными ковалентными связями. По другому эту выявленную закономерность можно сформулировать так: «Подобное растворяется в подобном».

Растворимость веществ во многом обуславливается силой и характером их взаимодействия с молекулами растворителя. Чем сильнее выражено это взаимодействие, тем больше растворимость и наоборот.

Известно, что силы, действующие между неполярными и слабополярными молекулами, невелики и неспецифичны, т.е. в количественном выражении существенно не зависят от вида вещества.

Если в неполярную жидкость В ввести однотипные неполярные молекулы А, то энергия взаимодействия частиц А и В между собой не будет значительно отличаться от энергии взаимодействия между частицами А и А или частицами В и В. Поэтому подобно тому как смешиваются любые количества одного и того же вещества, с большой вероятностью будут неограниченно смешиваться друг с другом (т.е. растворяться друг в друге) и различные неполярные жидкости.

По этой же причине и молекулярные кристаллы обычно лучше растворяются в неполярных жидкостях.

Если же энергия взаимодействия молекул А и А или В и В больше чем А и В, то одинаковые молекулы каждого компонента будут предпочтительнее связываться между собой и растворимость их друг в друге понизится (табл. 6).

Полярность любого растворителя часто характеризуют значением его диэлектрической проницаемости (е), которая легко определяется опытным путем. Чем она больше, тем более полярным является вещество.

Таблица 2 - Растворимость KI (мас%) в растворителях различной полярности

Растворимость веществ значительно повышается если они способны образовывать с растворителем водородные или донорно-акцепторные связи. Примером большой растворимости, обусловленной образованием водородных связей, является раствор этилового спирта в Н2О, а образованием донорно-акцепторных связей - раствор NH3 в воде. При этом растворимость спирта не ограничена, а NH3 в Н2О растворяется в объемном соотношении ~ 700: 1.

Влияние давления на растворимость веществ

Влияние давления на растворимость твердых и жидких веществ практически не сказывается, т.к. объем системы при этом изменяется незначительно. Только при очень высоких давлениях изменение растворимости становится заметным. Так, например, растворимость NH4NO3 снижается почти вдвое при повышении давления до 106 кПа (т.е. приблизительно в 10 000 раз больше атмосферного).

Существенное влияние давление оказывает лишь на растворимость газов. Причем если между газом и растворителем не возникает химического взаимодействия, то согласно закона Генри растворимость газа при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над раствором

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы жидкости и газа; p - давление газа над раствором.

Закон Генри справедлив только для разбавленных растворов и в условиях низких давлений.

Если речь идет о растворении не одного газообразного вещества, а смеси, состоящей из нескольких газов, то согласно закона Дальтона растворимость каждого компонента смеси при постоянной температуре пропорциональна его парциальному давлению над жидкостью и не зависит от общего давления смеси и присутствия других газов.

Парциальное давление отдельного газа в смеси (р1) рассчитывается по формуле:

р1 = робщ. · Х1

где робщ. - общее давление газовой смеси; Х1 - мольная доля газа в смеси.

Если газовая смесь состоит из нескольких компонентов, то ее общее давление определяется суммой парциальных давлений всех газов, входящих в смесь:

робщ. = р1 + р2 + р3 + …

Газы, вступающие во взаимодействие с растворителем (например, NH3, SO2, HCl) при растворении в Н2О закону Генри и Дальтона не подчиняются. Их растворимость также увеличивается с повышением давления, но по более сложной зависимости.

Понижение давления газа над раствором ведет к уменьшению его растворимости и выделению из жидкости в виде пузырьков.

Изменением растворимости газа при резком снижении давления обусловлена так называемая кессонная болезнь, которой могут заболеть водолазы, работающие глубоко под водой. В этих условиях они дышат воздухом, находящимся под большим давлением. При этом растворимость газов в крови сильно увеличивается. Если после окончания работы подниматься на поверхность слишком быстро, то вследствие резкого уменьшения давления избыточные газы, растворенные в крови, начинают бурно выделяться. Образовавшиеся пузырьки закупоривают кровеносные сосуды, что приводит к нарушению кровообращения, многочисленным кровоизлияниям в различных тканях и органах из-за разрыва капилляров.

Поэтому подъем на поверхность с больших глубин должен быть достаточно долгим и медленным, чтобы лишний газ успевал удаляться из кровеносной системы через органы дыхания.

Аналогичная картина может возникнуть и при разгерметизации на большой высоте кабин и салонов самолетов, скафандров военных летчиков.

Влияние температуры на растворимость веществ

Растворимость большинства твердых и жидких веществ при повышении температуры в той или иной степени увеличивается. Для некоторых твердых веществ (особенно если при их растворении теплота выделяется) растворимость, наоборот, может понижаться с повышением температуры.

Зависимость растворимости веществ от температуры часто наглядно показывают при помощи графиков, которые называют кривыми растворимости (рис. 5). Растворимость газов уменьшается с повышением температуры. Длительным кипячением можно почти полностью удалить растворенные газы из жидкости. Насыщение же жидкости газом, наоборот, целесообразнее проводить при низких температурах.

Изменением растворимости с температурой часто пользуются для очистки веществ путем перекристаллизации. При остывании горячего насыщенного раствора какой-либо соли, загрязненной посторонними примесями, значительная ее часть (соли) выделится в виде осадка, а загрязняющие примеси останутся в растворе, так как последний даже на холоде по отношению к ним не будет насыщенным.

Рис. 5

Подобным образом можно очищать лишь те твердые вещества, растворимость которых сильно зависит от температуры.

Влияние электролитов на растворимость веществ

Если растворитель содержит примеси, то растворимость веществ в нем уменьшается. Особенно сильно это заметно, когда в роли такого постороннего соединения выступает электролит, а растворяемым веществом является газ. Например, в 1 см3 Н2О при 20оС растворяется около 3 см3 газообразного Cl2, а в 1 см3 насыщенного раствора NaCl растворяется всего 0,3 см3 хлора. Русский ученый - физиолог И.М. Сеченов установил количественную зависимость между растворимостью газа и концентрацией электролита в растворе (закон Сеченова):

где S - растворимость газа в растворе электролита; S0 - растворимость газа в растворителе; С - молярная концентрация электролита в растворе; k - константа, зависящая от природы газа, электролита и температуры.

Закон Сеченова позволяет исследовать растворимость газов в крови, которая содержит в своем составе значительное число растворенных веществ, в том числе и электролитов.

Подобно газам при добавлении в раствор электролитов может понижаться растворимость и некоторых жидкостей, твердых веществ.

Это явление называют иначе высаливанием, т.к. в качестве электролита чаще всего используют соли.

Одной из причин уменьшения растворимости веществ в присутствии электролитов может быть образование прочных гидратных (сольватных) оболочек вокруг ионов, на которые распадаются электролиты. В результате этого количество свободных молекул жидкости, а значит и ее растворяющая способность, понижается.

Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, температуры, давления и влияния посторонних веществ.

Природа веществ, образующих раствор. Этот фактор хорошо иллюстрирует старое правило: подобное растворяется в подобном. Под подобием подразумевают природу химической связи в веществах, образующих раствор. Действительно, две неполярные жидкости будут смешиваться друг с другом неограниченно, а неполярная и полярная жидкости будут практически нерастворимы друг в друге.

Вещества, состоящие из неполярных молекул, лучше растворяются в неполярных растворителях, например, сера хорошо растворяется в сероуглероде и практически не растворяется в воде. Кислород в воде растворяется в 10 раз хуже, чем в бензоле.

Вещества с ионным и ковалентным полярным характером связи, как правило, хорошо растворяются в сильно полярных растворителях. Однако ионные кристаллические структуры гораздо прочнее, чем молекулярные, поэтому, когда энергия кристаллической решетки велика, а энергия сольватации низка, растворимость таких соединений в воде мала (BaSO 4 , CuS, CaF 2 и т.д.).

Максимальную энергию кристаллической решетки имеют полимерные соединений с ковалентной связью (алмаз, диоксид кремния и т.д.), поэтому растворимость таких веществ ничтожно мала в любых растворителях.

Температура.

Согласно принципу Ле Шателье, на зависимость растворимости от температуры влияет значение теплового эффект растворения данного вещества в данном растворителе.

Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость будет уменьшаться (например, Ca(OH) 2 в воде) и наоборот. Для большинства солей растворимость при нагревании увеличивается.

Практически все газы растворяются с выделением тепла, поэтому растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением температуры - увеличивается.

Если измерять растворимость веществ при разных температурах, то обнаружится, что одни вещества сильно изменяют свою растворимость в зависимости от температуры, другие - не очень сильно (табл. 2).

Таблица 2.

Влияние температуры на растворимость некоторых твердых веществ.

В таблице приведена растворимость в г/100 г воды

Вещество	Температура, о C

Если полученные экспериментальным путем значения растворимости при различных температурах нанести на оси координат, то получаются так называемые кривые растворимости различных веществ (рис. 3).

Эти кривые имеют большое практическое значение. Используя эти кривые, можно рассчитать, сколько вещества, например KNO 3 , выпадет в осадок при охлаждении до 20 о С насыщенного раствора, приготовленного при температуре 80 о С. На этом основаны процессы, которые позволяют очищать некоторые вещества. Дело в том, что при охлаждении ненасыщенного раствора образуется насыщенный раствор, но насыщенный по основному веществу , которого больше всего, а не по примесям . Поэтому при охлаждении в осадок выпадает только чистое вещество , а примеси (вместе с частью вещества) остаются в растворе. Чистые кристаллы потом отфильтровывают от охлажденного, загрязненного примесями раствора. Этот способ очистки называется ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЕЙ. Так очищают, например, многие лекарственные препараты.

Рис. 3.

Давление. По принципу Ле Шателье увеличение давления смещает равновесие в сторону уменьшения объема системы. При растворении твердых веществ в жидкости объем изменяется мало, поэтому давление не будет существенным образом влиять на растворимость солей. Также влияние давления практически не будет проявляться и для смеси двух жидкостей.

Растворимость газов сильно зависит от давления, так как в этом случае происходит значительное изменение объема системы. С увеличением давления растворимость газов увеличивается.

Для смеси газов растворимость каждого из них определяется законом Генри :

Растворимость летучего вещества при постоянной температуре прямо пропорциональна его парциальному давлению над раствором.

Закон справедлив для разбавленных растворов, невысоких давлений и при отсутствии химического взаимодействия с растворителем.

Влияние посторонних веществ на растворимость.

Эффект «высаливания».

Если постороннее вещество сильно сольватируется и дает прочные связи с растворителем, то в его присутствии растворимость других веществ падает. Например, добавление хорошо растворимых солей уменьшает растворимость газов в воде, а добавление спирта уменьшает растворимость большинства солей:

Такой же эффект вызывает добавление концентрированной соляной кислоты к насыщенному раствору хлорида натрия

NaCl кр + H 2 O Na + аq + Cl- аq

Присутствие одноименных ионов.

Если постороннее вещество дает ионы, одноименные с ионами растворенного вещества, в этом случае растворимость данного вещества также уменьшается:

NaClкр + H2O Na+аq + Cl- аq

Солевой эффект.

Хорошо растворимое третье вещество поставляет в систему большое количество посторонних ионов, что приводит к повышению растворимости ионных соединений.

BaSO 4 (кр) Ba 2+ + SO 4 2-

1. Влияние одноименного иона

При увеличении концентрации иона Cl – растворимость AgCl сначала уменьшается, а затем резко возрастает вследствие образования растворимого комплекса – . При увеличении концентрации иона Ag + растворимых комплексов не образуется, и растворимость осадка закономерно уменьшается, но при очень высоких концентрациях Ag + наблюдается некоторое увеличение растворимости, связанное с увеличением ионной силы раствора и, соответственно, увеличением реального произведения растворимости ПР с.Эффект увеличения растворимости, обусловленный увеличением ионной силы, называется солевым эффектом (или эффектом высаливания), и наблюдается всегда при увеличении концентрации электролита в растворе малорастворимого соединения.

2. Влияние конкурирующих реакций

Ионы осадка могут вступать в реакцию с компонентами раствора, собственными ионами, посторонними веществами. Наличие конкурирующих реакций всегда приводит к повышению растворимости вплоть до полного растворения осадка.

Например, в растворе оксалата кальция наряду с реакцией

CaC 2 O 4 = Ca 2+ + C 2 O 4 2– в кислой среде могут протекать конкурирующие реакции:

С 2 О 4 2– + Н + = НС 2 О 4 – НС 2 О 4 – + Н + = Н 2 С 2 О 4

Растворимость складывается из равновесных концентраций всех форм оксалат-иона:

s(С 2 О 4 2–) = +[НС 2 О 4 – ] + [Н 2 С 2 О 4 ]

Расчёты показывают, что растворимость оксалата кальция в чистой воде равна 4,8∙10 –5 моль/л, а при рН =3 - 2,0 ∙10 –4 моль/л.

3. Влияние ионной силы

Увеличение ионной силы раствора приводит к уменьшению коэффициентов активности ионов осадка, увеличению реального произведения растворимости и, как следствие, к увеличению растворимости(солевой эффект).

4. Влияние температуры

Характер влияния температуры на растворимость определяется знаком ∆Нрастворения. Чаще всего процессы растворения твёрдых веществ―эндотермические. Следовательно, повышение температуры будет способствовать растворению.

5. Влияние размеров частиц, образующих осадок

Энергия Гиббса ионов внутри кристаллов меньше, чем на поверхности. Чем меньше размеры частиц осадка, тем больше его поверхность и суммарная энергия Гиббса и, следовательно, растворимость. Таким образом, чем крупнее частицы, тем система стабильнее.

Пример1. Рассчитайте растворимость фосфата бария, если

ПР о (Ba 3 (PO 4) 2) = 6,3·10 –39 .

Решение :

Ba 3 (PO 4) 2 = 3Ba 2+ + 2PO 4 3–

Если s– растворимость фосфата бария, то: = 3s , = 2s.

ПР о = (3s) 3 (2s) 2 ­ = 108s 5 = 6,3 ·10 –39

Отсюда s = √ 6,3 ·10 –39 / 108 = 9,0 ∙10 –9 моль/л.

Пример 2. Рассчитайте произведение растворимости фторида магния, если его растворимость в воде при некоторой температуре равна 0,001 моль/л.

Решение.

MgF 2 = Mg 2+ + 2F –

Если s – растворимость фторида магния, то = s = 0,001моль/л,

2s = 2∙ 0,001моль/л.

ПР о = s (2s) 2 = 4(0,001) 3 = 4,0 ∙10 –9

Пример3. Рассчитайте растворимость CaSO 4 в 0,01 M Mg(NO 3) 2

ПР o (CaSO 4) = 2,37 ∙10 –5

Решение

________

Растворимость CaSO 4 в чистой воде: s = √2,37 ∙10 –5 = 4,87∙10 –3 моль/л.

Ионная сила раствора:

I = 0,5(0,01 ∙ 2 2 + 2∙ 0,01 ∙ 1 + 4,87 ∙10 -3 ∙2 2 + 4,87 ∙10 -3 ∙2 2) = 0,05.

Коэффициенты активности ионов: f(Ca 2+) = 0,75 и f(SO 4 2–) = 0,55.

ПР с = ПР о / f(Ca 2+) ∙ f(SO 4) 2– = 2,37∙10 –5 / 0,75 ∙0,55 = 5,78 ∙10 –5 .

Растворимость сульфата кальция в растворе, содержащем нитрат магния равна:

s = √5,78 ∙10 –5 = 7,6 ∙10 –3 моль/л.

Растворимость соли увеличилась в 1,56 раз.

Пример4. Рассчитайте рН насыщенного раствора гидроксида магния при 25 о С. ПР о (Mg(OH) 2) =6,8 ∙10 –12 .

Решение.

Mg(OH) 2 = Mg 2+ + 2OH – .

Если принять что = x, то =2x.

K o пр = x∙(2x) 2 = 4x 3 = 6,8 ∙10 – 12 .

Отсюда x = √ 6,8 ∙10 –12 / 4 = 1,19 ∙10 –4 .

2 ∙1,19 ∙10 –4 = 2,38 ∙10 -4 моль/л

рОН = – lg 2,38 ∙10 –4 = 3,62. pH = 14– 3,62 = 10,38.

Упражнения и задачи для самостоятельного решения

1. Дайте определение понятиям: «произведение растворимости», «растворимость»

2. Вычислите произведение растворимости хромата серебра, ес­ли в

500 мл воды при 25°С растворяются 0,011 г Аg 2 СгО 4 .(1,2 ∙10 –12)

Ответ: 1,2 ∙10 –12

3. Произведение растворимости АgС1 равно 1,8∙10 –10 . Вычислите растворимость соли (моль/л и г/л) в воде и 0,01М КС1. Коэффициен­ты активностей ионов принять равными 1.

Ответ:Растворимость в воде: 1,34 ∙10 –5 моль/л и 1,92 ∙10 –3 г/л,

в растворе хлорида калия - 1,8∙10 -8 моль/л и 2,58∙10 -6 г/л.

4. Смешали 10 мл 0,01М раствора СаС1 2 и 40 мл 0.01М раствора оксалата аммония (NH 4) 2 C 2 O 4 . Выпадет ли осадок оксалата кальция, если ПР о (CaC 2 O 4) =2∙10 –9 ?

Ответ: да

5. В раствор, содержащий 0,01 моль/л BaCl 2 , и 0,01 моль/л SrCl 2 , медленно добавляют раствор сульфата натрия. Какой осадок выпадет первым, если ПР о (BaSO 4) =1,1 ∙10 –10 ; ПР о (SrSO 4)=3,2 ∙ 10 –7 ?

Ответ: BaSO 4

6. Во сколько раз уменьшится концентрация ионов серебра в насыщенном растворе хлорида серебра, если прибавить к нему столько соляной кислоты, чтобы её концентрация стала равной

0,03 моль/л?

ПР о (AgCl) = 1,8∙10 -10 .

Ответ: в 2200 раз

СТРОЕНИЕ АТОМА

Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов. Состояния электронов и других микрочастиц (протонов нейтронов и др.),их движения описываются квантовой механикой. Полная энергия внутреннего движения атомов и молекул принимает строго определённые квантовые значения. Законы движения приобретают вероятностный характер. Понятие траектории электрона внутри атомов и молекул теряет смысл. Одно из общих свойств материи является её двойственность - материя обладает одновременно и корпускулярными и волновыми свойствам. Корпускулярно-волновая природа частиц описывается уравнением де Бройля: λ=h/mV, где λ– длина волны,h–постоянная Планка(h=6,6310 –34 Дж∙с),m–масса частицы,

V–скорость частицы. Анализ этого уравнения показывает, что с уменьшением массы частицы и увеличением её скорости волновые свойства частицы усиливаются. Для описания корпускулярно-волновых свойств электрона в квантовой механике используется волновая функция Ψ. Квадрат её модуля ‌‌/Ψ/ 2 представляет вероятность нахождения электрона в данной точке пространства. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера:

∂ 2 Ψ/∂x 2 + ∂ 2 Ψ/∂y 2 + ∂ 2 Ψ/∂z 2 +8π 2 /mh 2 (Е – Е п)Ψ=0,

где Е – полная энергия электрона,E п – потенциальная энергия электрона,m–масса электрона,Ψ –волновая функция. Решение уравнения Шредингера позволяет найти волновую функцию электрона Ψ(x,y,z) как функцию координат, которая называется орбиталью. Точное решение уравнения Шредингера известно для атома водорода и для одноэлектронных частиц. Для сложных атомов это уравнение может быть решено только приблизительно.

Для описания химических свойств элементов и соединений необходимо знать строение электронных оболочек атомов. Электрон – особая структура, имеющая отрицательный заряд, и обладающая свойствами как частицы, так и волны. Описание движения электрона в поле притяжении ядра атома с помощью классической механики невозможно. Для этого используются методы теории вероятности, общей теории электромагнетизма и квантовой механики.

Вероятность местонахождения электрона зависит от его энергетического состояния. Важно, что квадрат волновой функции |ψ| 2 пропорционален вероятности нахождения электрона в определенной области пространства вблизи атома. Такая область получила название атомная орбиталь (АО). Графический образ – квадрат.

Орбиталь можно описать с помощью набора квантовых чисел: n –главное квантовое число,l –орбитальное квантовое число, m l –магнитное квантовое число.

Понятие АО вытекает из решения волнового уравнения и определяется как область пространства вблизи атомного ядра, вероятность нахождения электрона в которой максимальна и составляет 90-95%. Данная область имеет определенную форму, размеры и энергию, которые определяются набором 3-х т.н. квантовых чисел (n, l, m l ), вытекающих из решения волнового уравнения.

n - главное квантовое число, которое может принимать значения любых целых чисел(1,2,3,4 …); оно определяет энергию электрона, а также размеры орбитали.

Совокупность атомных орбиталей с одинаковым значением n определяет энергетический уровень .

l - орбитальное квантовое число, которое при n=const последовательно принимает целочисленные значения от 0 до (n – 1); оно определяет пространственную форму орбитали.Орбитальному чилу l = 0 отвечают

s- орбитали, числу l =1– р -орбитали, числу l =2– d -орбитали. Совокупность атомных орбиталей с постоянным значением l при данном n образует энергетический подуровень .

m l - магнитное квантовое число, которое зависит от орбитального квантового числа; последовательно принимает целочисленные значения от (–l) до (+l), включая 0.Магнитное квантовое число m l определяет ориентацию орбитали в пространстве.

Так, для p - энергетического подуровня (l =1) значения m l следующие:

–1, 0, +1. Таким образом, можно определить число атомных орбиталей на данном энергетическом подуровне, которое равно 2l + 1.

Подуровень, содержащий s-орбитали, называется s-подуровнем,

p-орбитали р-подуровнем, d- орбитали d-подуровнем, f-орбитали

f-подуровнем. Тогда, на s- подуровне имеется одна АО, на p- подуровне - три АО, на d- подуровне - пять АО, а на f -подуровне- семь АО.

Форма орбитали определяется орбитальным квантовым числом. Наиболее распространённый способ изображения орбиталей заключается в графическом предсталении граничной поверхности орбиталей.

Граничная поверхность ― часть электронной орбитали, в которой вероятность нахождения электрона имеет максимальное значение.

s-Орбитали симметричны для любого главного квантового числа n и отличаются друг от друга только размером сферы.

p-Орбитали существуют при n ≥ 2 и l = 1, поэтому возможны три варианта ориентации в пространстве: m l = –1, 0, +1. Все p-орбитали обладают узловой плоскостью, делящей орбиталь на две области, поэтому граничные поверхности имеют форму гантелей, ориентированных в пространстве под углом 90° друг относительно друга. Осями симметрии для них являются координатные оси, которые обозначаются p x , p y , p z .

d-Орбитали определяются квантовым числом l = 2 (n ≥ 3), при котором

m l = –2, –1, 0, +1, +2, то есть характеризуются пятью вариантами ориентации в пространстве. d-Орбитали, ориентированные лопастями по осям координат, обозначаются d z ² и d x ²–y² , а ориентированные лопастями по биссектрисам координатных углов – d xy , d yz , d xz .

Семь f-орбиталей, соответствующих l = 3 (n ≥ 4), изображаются в виде граничных поверхностей, приведенных на рис.1.

Трёх квантовых чисел, выведенных при решении уравнения Шредингера, недостаточно для полного описания электронов в атоме, что следует из спектральных данных.Для интерпретации спектральных данных было введено спиновое квантовое число m s , которое имеет два значения – либо (+1/2), либо (–1/2) в зависимости от одной из двух возможных ориентаций спина электрона в магнитном поле. В квантовой механике устанавливается, что для электрона имеется дополнительная степень свободы, проявляющаяся в существовании особого момента количества движения (момента импульса), так называемого спина (от английского слова to spin–вращать веретено). Этот специфический момент количества движения, с которым связан соответствующий магнитный момент, существует независимо от орбитального движения.

Следовательно, состояние каждого электрона в атоме описывается набором 4-х квантовых чисел, три из которых относятся к атомной орбитали, которую он занимает и собственное спиновое квантовое число.

Рис. 1 Изображение с помощью граничных поверхностей s-, p-, d- и