4. Істинні розчини

Зміст

ПРИГАДАЙТЕ

• Які суміші ви пам’ятаєте? Чим вони різняться?

Суміші поділяють на однорідні (гомогенні) та неоднорідні (гетерогенні). В однорідних сумішах (розчин солі або цукру у воді, повітря) частинки речовин подрібнені до окремих молекул або йонів, тому їх неможливо побачити. У неоднорідних сумішах (суміш піску з водою, молоко, туман) окремі частинки компонентів помітні неозброєним оком або у мікроскоп.

• Як відрізнити однорідні суміші від неоднорідних?

Однорідні суміші не мають меж поділу між компонентами, вони абсолютно прозорі та зберігають однаковий склад у кожній точці об’єму. Неоднорідні суміші завжди мають межу поділу між речовинами, вони каламутні, а їхні компоненти з часом осідають або спливають на поверхню.

ПОМІРКУЙТЕ

Зважаючи на відмінності властивостей істинних розчинів від колоїдних і зависей, запропонуйте спосіб, яким можна відрізнити ці дисперсні системи.

Зависі відрізняють за каламутністю та нестійкістю, адже їхні частинки помітні візуально і швидко осідають або спливають. Прозорі колоїдні та істинні розчини розрізняють за допомогою ефекту Тіндаля: якщо пропустити крізь них промінь лазерної указки, то в колоїдному розчині збоку видно світний конус (розсіювання світла), а крізь істинний розчин промінь проходить без перешкод і збоку залишається невидимим.

ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЄКТУЄМО

Використовуючи лазерну указку, дослідіть рідини, які трапляються вам у щоденному житті, та визначте: вони є істинними розчинами чи колоїдними. Для дослідження використайте воду в пляшках (газовану й негазовану), а також рідкі мийні засоби. Можна також використати водні розчини харчових продуктів, на кшталт майонезу, кетчупу, яєчного білка тощо.

Чиста негазована питна вода та цукровий сироп є істинними розчинами, бо лазерний промінь проходить крізь них без перешкод і не дає видимого сліду збоку.

Газована вода містить мікробульбашки газу, які частково відбивають світло, проте рідка фаза залишається істинним розчином.

Рідкі мийні засоби, розведений у воді яєчний білок, чай, а також розбавлені майонез і кетчуп яскраво розсіюють промінь світла у вигляді чіткого конуса Тіндаля, тому вони належать до колоїдних систем і тонких зависей.

ПОМІРКУЙТЕ

Запропонуйте гіпотезу щодо фізичних явищ, які відбуваються під час розчинення речовин у воді.

Під час розчинення відбуваються такі фізичні явища: руйнування міцних зв’язків між частинками розчинюваної речовини (кристалічних ґраток) та дифузія цих частинок серед молекул води. Одночасно виникає фізико-хімічне притягання між полярними молекулами води та частинками речовини (гідратація), що спричиняє виділення або поглинання теплоти.

ПОМІРКУЙТЕ

Сформулюйте гіпотезу, чи відбувається охолодження або розігрівання під час розчинення речовин. Як можна довести або спростувати вашу гіпотезу?

Під час розчинення речовин розчин може нагріватися або охолоджуватися залежно від природи речовини. Перевірити гіпотезу можна дослідом: виміряти початкову температуру води термометром, додати порцію речовини (наприклад, натрій гідроксид або амоній нітрат), перемішати до повного розчинення і знову зафіксувати температуру.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

28. Латиною gelare означає «мерзнути, застигати», а gelato — «морозиво». Припустіть, яке значення мають терміни «желе», «гель» і «желатин».

Термін «желе» означає драглисту страву або напівтверду масу, яка утворилася внаслідок застигання рідкого розчину зі згущувачем. «Гель» позначає колоїдну систему, частинки якої утворили просторову сітку, зв’язали молекули рідини та втратили здатність текти. «Желатин» — це білкова речовина, яку додають до рідини для перетворення її після охолодження на драглистий гель.

29. Грецькою aero означає «повітря», hydro — «вода», а латиною solvere — «розчиняти», suspensio — «підвішування». Що, на вашу думку, означають назви колоїдних систем «золі», «гідрозолі», «аерозолі» та «суспензії»?

Слово «золі» означає колоїдні розчини, де дрібні частинки вільно рухаються в розчиннику. «Гідрозолі» — це рідкі колоїдні системи, в яких дисперсійним середовищем слугує вода. «Аерозолі» — це системи, де дрібні краплі рідини або тверді частинки зависли в повітрі. «Суспензії» — це грубодисперсні суміші, в яких тверді часточки перебувають у завислому стані в рідині та із часом осідають під дією сили тяжіння.

30. Порівняйте розчини з механічними сумішами, наприклад, солі й піску, склавши для них діаграму Венна.

31. Чому під час розчинення речовин поглинається або виділяється теплота? Від чого це залежить?

Тепловий ефект розчинення складається з двох протилежних процесів: руйнування кристалічних ґраток речовини, на яке енергія витрачається (поглинання тепла), та гідратації утворених частинок молекулами води, під час якої енергія виділяється. Якщо енергія гідратації переважає ($Q_{\text{гідратації}}>Q_{\text{руйнування ґраток}}$), розчин нагрівається, а якщо більшою є енергія руйнування ґратки ($Q_{\text{гідратації}}<Q_{\text{руйнування ґраток}}$), то розчин охолоджується.

32. У додаткових джерелах дізнайтеся, чому в косметиці та фармації використовують як водні, так і неводні розчинники. Наведіть приклади косметичних засобів, у яких знання про розчинність має ключове значення (креми, емульсії, парфуми).

Різні типи розчинників потрібні тому, що активні речовини мають різну хімічну природу: водорозчинні речовини розчиняють у воді, а жиророзчинні сполуки (ефірні олії, вітаміни A, E, воски) розчиняються лише в органічних розчинниках чи рослинних оліях.

Приклади косметичних засобів:

• Креми та лосьйони — це емульсії води та олії, об’єднані емульгаторами, де водні компоненти зволожують шкіру, а жирові створюють захисний бар’єр.
• Парфуми виготовляють на основі етилового спирту, який чудово розчиняє концентровані гідрофобні пахучі ефірні олії та швидко випаровується під час нанесення.
• Лікувальні мазі та спиртові настоянки (наприклад, настоянка йоду чи календули) використовують спирт або вазелінову основу для нерозчинних у воді антисептиків.

РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)

33. Зважаючи на механізм розчинення, поясніть, до яких процесів — фізичних, хімічних, фізико-хімічних — належить процес розчинення.

Розчинення належить до фізико-хімічних процесів. Фізичний бік полягає в руйнуванні кристалічних ґраток та дифузії вільних частинок по всьому об’єму рідкого розчинника. Хімічний бік полягає у взаємодії частинок розчиненої речовини з диполями води та утворенні нових нестійких сполук — гідратів.

34. Як ви вважаєте, чи відрізняються механізми розчинення молекулярних і йонних речовин? Речовини з яким типом зв’язку краще розчиняються у воді? Відповідь обґрунтуйте.

Механізми розчинення відрізняються: речовини йонної будови під дією диполів води дисоціюють на вільні гідратовані йони, а молекулярні речовини зазвичай переходять у розчин у вигляді окремих гідратованих молекул (або дисоціюють, якщо зв’язок є сильнополярним, як у $\mathrm{HCl}$).

У воді найкраще розчиняються речовини з йонним та ковалентним полярним зв’язком. Це зумовлено полярністю самої молекули води: її позитивні й негативні полюси притягують протилежно заряджені йони та полярні групи за правилом «подібне розчиняється в подібному».

35. Зважаючи на особливості утворення й існування істинних розчинів, поясніть, чи можна суміш двох газів називати розчином.

Суміш двох або кількох газів (наприклад, повітря) можна називати істинним газуватим розчином. Вона є абсолютно однорідною системою змінного складу, де молекули різних газів рівномірно перемішані між собою завдяки дифузії, не осідають під дією сили тяжіння та не розділяються із плином часу.

36. Обговоріть процес розчинення вуглекислого газу під час виготовлення газованої води. Які ознаки фізичних і хімічних явищ можна спостерігати в цьому разі? Аргументуйте свою думку.

Під час насичення води вуглекислим газом під тиском відбуваються як фізичні, так і хімічні явища.

Ознакою фізичного явища є дифузія газу та його фізичне розчинення у воді. Під час відкривання пляшки тиск різко падає, і частина розчиненого газу негайно виділяється у вигляді бульбашок:
$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2(\mathrm{р}-\mathrm{н})}\to \mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\uparrow$

Ознакою хімічного явища є часткова взаємодія газу з молекулами води з утворенням нестійкої карбонатної кислоти, яка змінює смак води на приємний кислуватий:
$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftarrows {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$

37. Висловіть гіпотезу, до якого типу дисперсних систем належать: збиті яєчні білки (меренга), майонез, кетчуп, сметана, вершки, вершкове масло, бульйон, хліб, томатний сік. У який спосіб можна довести або спростувати вашу гіпотезу?

Гіпотеза щодо типів дисперсних систем:

• Збиті яєчні білки — рідка піна (бульбашки повітря в розчині білка);
• Хліб — тверда піна (пори повітря й вуглекислого газу в запеченому тісті);
• Майонез, сметана, вершки — емульсії (дрібні краплі рослинної олії чи молочного жиру у воді);
• Вершкове масло — емульсія води в жирі (тверда емульсія);
• Бульйон — колоїдний розчин (золь екстрактивних речовин та желатину) з краплями жиру на поверхні;
• Кетчуп і томатний сік — зависі (суспензії м’якоті томатів у воді).

Довести або спростувати гіпотезу можна дослідженням під світловим мікроскопом (виявлення крапель або твердих частинок), пропусканням світлового променя для перевірки ефекту Тіндаля, а також центрифугуванням чи відстоюванням зразків.

38. Зважаючи на механізм розчинення, поясніть вплив на швидкість розчинення таких чинників: ступінь подрібнення розчинюваної речовини, перемішування під час розчинення та температура розчинника. На яку стадію процесу розчинення впливає кожний чинник?

Ступінь подрібнення збільшує загальну площу поверхні речовини, завдяки чому молекули води оточують значно більше частинок одночасно. Цей чинник прискорює першу та другу стадії — часткову й повну гідратацію та руйнування ґраток.

Перемішування швидко відводить утворені гідратовані частинки від поверхні кристала та підводить нові порції ненасиченого розчинника. Воно безпосередньо прискорює третю стадію — дифузію.

Підвищення температури збільшує кінетичну енергію та швидкість теплового руху молекул води. Воно прискорює як руйнування зв’язків у кристалічній ґратці (друга стадія), так і дифузію частинок у розчині (третя стадія).

39. У якому разі відбувається швидше розчинення: під час використання кристалічного цукру чи цукрової пудри? Відповідь поясніть.

Розчинення відбувається швидше під час використання цукрової пудри. Пудра складається з набагато дрібніших частинок, тому її сумарна площа контакту з водою в десятки разів більша, ніж у великих кристалів цукру, що дозволяє молекулам розчинника значно швидше гідратувати речовину.

40. Поясніть зображене на світлинах, зважаючи на ефект Тіндаля.

На світлинах зображено прояви ефекту Тіндаля в природі та побуті — явище оптичного розсіювання світла на частинках колоїдного або завислого розміру.

Промені сонця, пробиваючись крізь крони дерев у туманному лісі чи крізь вікно в запиленій кімнаті, стають чітко видимими у вигляді світлових доріжок і конусів. Це відбувається тому, що дрібні краплі води в тумані та порошинки в повітрі відбивають і розсіюють світло на всі боки. Те саме явище зумовлює видимість світлових променів від ліхтарів або фар автомобілів у вечірньому тумані.