Chemia to interesująca i dość złożona nauka. Jej terminy i koncepcje trafiają do nas w życiu codziennym i nie zawsze jest intuicyjnie jasne, co one oznaczają i jakie jest ich znaczenie. Jednym z tych pojęć jest rozpuszczalność. Termin ten jest szeroko stosowany w teorii rozwiązań, a w życiu codziennym spotykamy się z jego użyciem, ponieważ otaczają nas te same rozwiązania. Ale nie tyle samo użycie tego pojęcia jest ważne, ile zjawiska fizyczne, które on oznacza. Ale zanim przejdziemy do głównej części naszej historii, przenieśmy się do dziewiętnastego wieku, kiedy Svante Arrhenius i Wilhelm Ostwald sformułowali teorię dysocjacji elektrolitycznej.
Historia
Badanie rozwiązań i rozpuszczalności zaczyna się od fizycznej teorii dysocjacji. Jest najłatwiejszy do zrozumienia, ale zbyt prymitywny i tylko momentami pokrywa się z rzeczywistością. Istotą tej teorii jest to, że substancja rozpuszczona dostając się do roztworu, rozkłada się na naładowane cząstki zwane jonami. To właśnie te cząstki określają właściwości chemiczne roztworu i niektóre jego właściwości fizyczne, w tym przewodność i temperaturę wrzenia, temperaturę topnienia i temperaturę krystalizacji.
Ale jest ich więcejzłożone teorie, które rozważają rozwiązanie jako układ, w którym cząstki oddziałują ze sobą i tworzą tzw. solwaty – jony otoczone dipolami. Dipol jest ogólnie obojętną cząsteczką, której bieguny są naładowane przeciwnie. Dipol jest najczęściej cząsteczką rozpuszczalnika. Wchodząc do roztworu, rozpuszczona substancja rozkłada się na jony, a dipole są przyciągane do jednego jonu przez przeciwnie naładowany koniec w stosunku do nich, a do innych jonów przez drugi przeciwnie naładowany koniec, odpowiednio. W ten sposób uzyskuje się solwaty - cząsteczki z otoczką innych obojętnych cząsteczek.
Teraz porozmawiajmy trochę o istocie samych teorii i przyjrzyjmy się im bliżej.
Teorie rozwiązań
Powstanie takich cząstek może wyjaśnić wiele zjawisk, których nie da się opisać klasyczną teorią rozwiązań. Na przykład efekt termiczny reakcji rozpuszczania. Z punktu widzenia teorii Arrheniusa trudno powiedzieć, dlaczego, gdy jedna substancja jest rozpuszczona w innej, ciepło może być pochłaniane i uwalniane. Tak, sieć krystaliczna ulega zniszczeniu, a zatem energia jest albo zużywana, a roztwór ochładza się, albo uwalniana podczas rozpadu z powodu nadmiaru energii wiązań chemicznych. Wytłumaczenie tego z punktu widzenia teorii klasycznej okazuje się jednak niemożliwe, ponieważ sam mechanizm destrukcji pozostaje niezrozumiały. A jeśli zastosujemy chemiczną teorię roztworów, stanie się jasne, że cząsteczki rozpuszczalnika, wciśnięte w puste przestrzenie sieci, niszczą ją od wewnątrz, jakby „zamykając”jony od siebie przez powłokę solwatacyjną.
W następnej sekcji przyjrzymy się, czym jest rozpuszczalność i wszystko, co jest związane z tą pozornie prostą i intuicyjną wielkością.
Koncepcja rozpuszczalności
To czysto intuicyjne, że rozpuszczalność wskazuje, jak dobrze substancja rozpuszcza się w danym rozpuszczalniku. Jednak zwykle niewiele wiemy o naturze rozpuszczania substancji. Dlaczego np. kreda nie rozpuszcza się w wodzie, a sól kuchenna – odwrotnie? Chodzi o siłę wiązań w cząsteczce. Jeśli wiązania są silne, to z tego powodu cząstki te nie mogą dysocjować na jony, niszcząc w ten sposób kryształ. Dlatego pozostaje nierozpuszczalny.
Rozpuszczalność to cecha ilościowa pokazująca, jaka część substancji rozpuszczonej ma postać solwatowanych cząstek. Jego wartość zależy od natury substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Rozpuszczalność w wodzie dla różnych substancji jest różna, w zależności od wiązań między atomami w cząsteczce. Substancje z wiązaniami kowalencyjnymi mają najniższą rozpuszczalność, a te z wiązaniami jonowymi mają najwyższą.
Ale nie zawsze można zrozumieć, która rozpuszczalność jest duża, a która mała. Dlatego w następnym rozdziale omówimy, jaka jest rozpuszczalność różnych substancji w wodzie.
Porównanie
W naturze występuje wiele ciekłych rozpuszczalników. Istnieje jeszcze więcej alternatywnych substancji, które mogą służyć jako ostatnie, gdy zostaną osiągnięte określone warunki, na przykład pewienstan zagregowany. Staje się jasne, że jeśli zbierzesz dane na temat rozpuszczalności w sobie nawzajem każdej pary „rozpuszczalnik – rozpuszczalnik”, to nie wystarczy na wieczność, bo kombinacje są ogromne. Dlatego tak się złożyło, że na naszej planecie woda jest uniwersalnym rozpuszczalnikiem i standardem. Zrobili to, ponieważ jest to najbardziej powszechne na Ziemi.
W ten sposób opracowano tabelę rozpuszczalności w wodzie dla wielu setek i tysięcy substancji. Wszyscy to widzieliśmy, ale w krótszej i bardziej zrozumiałej wersji. W komórkach tabeli znajdują się litery oznaczające substancję rozpuszczalną, nierozpuszczalną lub słabo rozpuszczalną. Ale są bardziej wyspecjalizowane tabele dla tych, którzy są poważnie zaznajomieni z chemią. Wskazuje dokładną liczbową wartość rozpuszczalności w gramach na litr roztworu.
Teraz przejdźmy do teorii czegoś takiego jak rozpuszczalność.
Chemia rozpuszczalności
Jak przebiega sam proces rozpuszczania, przeanalizowaliśmy już w poprzednich sekcjach. Ale jak na przykład zapisać to wszystko jako reakcję? Tutaj wszystko nie jest takie proste. Na przykład, gdy kwas jest rozpuszczony, jon wodorowy reaguje z wodą, tworząc jon hydroniowy H3O+. Zatem dla HCl równanie reakcji będzie wyglądać tak:
HCl + H2O =H3O+ + Cl-
Rozpuszczalność soli, w zależności od ich struktury, zależy również od jej reakcji chemicznej. Rodzaj tego ostatniego zależy od struktury soli iwiązania w jego cząsteczkach.
Odkryliśmy, jak graficznie zapisać rozpuszczalność soli w wodzie. Teraz czas na praktyczne zastosowanie.
Aplikacja
Jeśli wymienisz przypadki, w których ta wartość jest potrzebna, nie wystarczy nawet wiek. Pośrednio za jego pomocą można obliczyć inne wielkości, które są bardzo ważne dla badania dowolnego rozwiązania. Bez niej nie bylibyśmy w stanie poznać dokładnego stężenia substancji, jej działania, nie bylibyśmy w stanie ocenić, czy lek kogoś wyleczy, czy zabije (przecież nawet woda w dużych ilościach zagraża życiu).
Oprócz przemysłu chemicznego i celów naukowych, zrozumienie istoty rozpuszczalności jest również niezbędne w życiu codziennym. Rzeczywiście, czasami konieczne jest przygotowanie, powiedzmy, przesyconego roztworu substancji. Na przykład jest to konieczne, aby uzyskać kryształy soli do pracy domowej dziecka. Znając rozpuszczalność soli w wodzie możemy łatwo określić, ile trzeba jej wlać do naczynia, aby z nadmiaru zaczęła się wytrącać i tworzyć kryształy.
Zanim zakończymy naszą krótką wycieczkę do chemii, porozmawiajmy o kilku pojęciach związanych z rozpuszczalnością.
Co jeszcze jest interesujące?
Naszym zdaniem, jeśli dotarłeś do tej sekcji, prawdopodobnie już zrozumiałeś, że rozpuszczalność to nie tylko dziwna ilość chemiczna. Stanowi podstawę dla innych ilości. A wśród nich: stężenie, aktywność, stała dysocjacji, pH. A to nie jest pełna lista. Musiałeś słyszeć przynajmniej jedenz tych słów. Bez tej wiedzy o naturze roztworów, których badanie rozpoczęło się od rozpuszczalności, nie wyobrażamy sobie już współczesnej chemii i fizyki. Jaka jest tutaj fizyka? Czasami fizycy zajmują się również roztworami, mierzą ich przewodność i wykorzystują ich inne właściwości do własnych potrzeb.
Wniosek
W tym artykule zapoznaliśmy się z takim pojęciem chemicznym jak rozpuszczalność. Była to prawdopodobnie dość przydatna informacja, ponieważ większość z nas z trudem rozumie głęboką istotę teorii rozwiązań bez chęci zagłębienia się w jej szczegółowe badanie. W każdym razie bardzo przydatne jest trenowanie mózgu poprzez uczenie się czegoś nowego. W końcu człowiek musi przez całe życie „uczyć się, studiować i uczyć się od nowa”.
