6.2: Розчинність: чому одні речі утворюють рішення, а інші ні?

Скажімо, у вас є$100-\mathrm{mL}$ градуйований циліндр, і ви$50 \mathrm{~mL}$ берете етанол і додаєте його до$50 \mathrm{~mL}$ води. Ви можете здивуватися, виявивши, що обсяг отриманого розчину менше$100 \mathrm{~mL}$. Насправді мова йде про те$98 \mathrm{~mL}$, припускаючи хорошу техніку (відсутність розливу). Як ми можемо це пояснити? Ну, ми можемо спочатку заспокоїти себе, що матерія не була зруйнована. Якщо зважити розчин, він важить так само, як$50 \mathrm{~mL}$ і вода плюс$50 \mathrm{~mL}$ етанол. Це означає, що щільність розчину вода-етанолу повинна бути більшою, ніж щільність води або етанолу окремо. На молекулярному рівні ми можемо негайно зробити висновок, що молекули ближче один до одного в суміші етанолу та води, ніж були чистими (перед змішуванням) - спробуйте намалювати картину молекулярного рівня, щоб переконати себе, що це можливо. Тепер, якби ви взяли$50 \mathrm{~mL}$$50 \mathrm{~mL}$ нафту і воду, ви б виявили, що вони не змішуються - як би ви не намагалися. Вони завжди будуть відокремлюватися один від одного на два шари. Які фактори визначають, утворюють речовини розчини чи ні?

По-перше, ми повинні знати, що розчинність не є властивістю «все або нічого». Навіть у випадку з нафтою та водою у воді (водна фаза) присутня дуже мала кількість молекул нафти, а в олії присутня невелика кількість молекул води. Існує ряд способів опису розчинності. Найпоширенішим способом є визначення кількості молів розчиненої речовини на літр розчину. Це називається молярністю рішення ($\mathrm{M}, \mathrm{~mol/L}$). Іншим поширеним способом є визначення кількості грамів розчиненої речовини на масу розчину. Наприклад:$1 \mathrm{~mg}$ ($10^{-3} \mathrm{~g}$) розчиненої речовини, розчиненої в$1 \mathrm{~kg}$ ($10^{3} \mathrm{~g}$) розчину становить 1 частина на мільйон ($10^{6}$) розчиненої речовини, або$1 \mathrm{~ppm}$. Як і слід було очікувати, враховуючи температурний термін у рівнянні вільної енергії, дані про розчинність завжди повідомляються при певній температурі. Якщо більше розчиненої речовини не може розчинятися при заданій температурі, розчин, як кажуть, насичений; якщо більше розчиненої речовини може розчинитися, він ненасичений.

Якщо ми подивимося на структуру сполук, які розчиняються у воді, ми можемо почати бачити деякі тенденції: вуглеводні не дуже розчинні у воді (пам'ятайте з глави,$4$ що це сполуки, що складаються тільки з вуглецю та водню), тоді як спирти (вуглеводні з приєднаною$—\mathrm{O–H}$ групою) з вгору до 3 вуглець повністю розчинні. Зі збільшенням кількості атомів вуглецю розчинність з'єднання у воді зменшується. Наприклад, гексанол ($\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}$), тільки дуже слабо розчинний у воді ($0.4 \mathrm{~g/L}$). Тож, можливо, гідроксильна ($—\mathrm{O–H}$) група відповідає за розчинність молекули у воді. Докази, що підтверджують цю гіпотезу, можна знайти в тому, що діоли (сполуки з$2—\mathrm{O–H}$ групами) більш розчинні, ніж аналогічні спирти. Наприклад, у порівнянні з гексанолом 1,6-гександіол ($\mathrm{HO}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}$) досить розчинний у воді. Більш звичними водорозчинними сполуками, такими як цукру, глюкоза, фруктоза і сахароза (димер глюкози і фруктози — показаний на малюнку) є, по суті, поліспирти. Кожен з шести вуглеців приєднаний до гідроксильної групи.

З'єднання	Молярна маса (\ mathrm {г/моль}\))	Структура	Розчинність ($\mathrm{g/L}$)$20 { }^{\circ}\mathrm{C}$
пропан	$44$	$\(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{3}$	$0.07 \mathrm{~g/L}$
Етанол	$46$	$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}$	Повністю змішується
Диметиловий ефір	$46$	$\(\mathrm{CH}_{3}\mathrm{OCH}_{3}$	$328 \mathrm{~g/L}$
Пентан	$72$	$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{3}$	$0.4 \mathrm{~g/L}$
Бутанол	$74$	$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}$	$80 \mathrm{~g/L}$
Діетиловий ефір	$74$	$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OCH}_{2}\mathrm{CH}_{3}$	$69 \mathrm{~g/L}$
Гексанол	$102$	$\mathrm{CH}_{3}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}$	$0.4 \mathrm{~g/L}$
1,6 Гександіол	$226$	$\mathrm{HO}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{CH}_{2}\mathrm{OH}$	$500 \mathrm{~g/L}$
Глюкоза	$180$	$\mathrm{C}_{6}\mathrm{H}_{12}\mathrm{O}_{6}$	$910 \mathrm{~g/L}$

Питання

Питання, на які потрібно відповісти

• Складіть список речовин, які ви знаєте, розчиняються у воді.
• Які з них розчиняються: метали, іонні сполуки, молекулярні сполуки (полярні, неполярні), мережеві тверді речовини (алмазний графіт)?
• Чи можете ви зробити будь-які узагальнення про те, які речі розчиняються, а які ні?
• Що повинно статися для того, щоб щось розчинилося у воді?
• Як би ви розробили експеримент для визначення розчинності розчинної речовини?
• Як би ви визначали, чи був розчин насиченим?
• Намалюйте картину молекулярного рівня розчину етанолу та води, показуючи, чому розчин більш щільний, ніж окремі рідини.
• Намалюйте молекулярний рівень зображення суміші нафти і води.
• Намалюйте молекулярний рівень зображення процесу розв'язання
• Коли ви намагаєтеся змішати масло і воду, який шар закінчується зверху? Чому?

Питання для роздумів

• У вас є насичений розчин, з деякою твердою розчиненою речовиною.
• Як ви думаєте, розчинені частинки, які знаходяться в розчині, однакові з часом?
• Як би ви визначали, чи були вони однаковими?

Питання для Пізніше

• Що б ви передбачили для знака$\Delta \mathrm{S}$ при формуванні будь-якого рішення? Чому?
• Що б ви передбачили для знака$\Delta \mathrm{H}$ при формуванні будь-якого рішення? Чому?
• Що б ви передбачили для знака$\Delta \mathrm{G}$ при формуванні будь-якого рішення? Чому?