Как образуются растворы

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённых веществ. Разберём, как частицы распределяются при растворении, что ограничивает растворимость и что влияет на скорость процесса. Затем рассчитаем массовую долю соли и массы компонентов раствора.

1. Что называют раствором

Крупинки сахара перестают быть видимыми после перемешивания с водой. Это не значит, что вещество исчезло. Его частицы распределились в воде, и получилась однородная смесь — раствор. В небольших порциях хорошо перемешанного раствора состав одинаков. Растворённые частицы нельзя увидеть по отдельности обычным глазом и нельзя задержать обычным бумажным фильтром.

Растворитель — компонент, который растворяет другое вещество. В водных растворах растворителем служит вода. Растворённое вещество — вещество, распределённое в растворителе на уровне молекул или ионов. В воде могут растворяться твёрдые вещества, жидкости и газы. Например, сахар, этанол и кислород образуют водные растворы, хотя до смешивания находятся в разных состояниях.

В этом уроке рассматриваются главным образом растворы одного вещества в воде. В природе и быту состав часто сложнее: морская вода содержит несколько растворённых солей. Нельзя автоматически считать любой прозрачный образец чистой водой.

2. Прозрачность, цвет и неоднородность

Слова «прозрачный» и «бесцветный» обозначают разные свойства. Через прозрачный раствор проходит свет, хотя раствор может быть окрашен. Раствор медного купороса на иллюстрации прозрачен и имеет голубой цвет. И раствор сахара, и чистая вода могут быть бесцветными; по одному внешнему виду различить их нельзя.

Если песок смешать с водой, его зёрна не превратятся в растворённые молекулы. Они могут некоторое время находиться во взвешенном состоянии, а затем осесть. Смесь остаётся неоднородной. Масло и вода после отстаивания образуют два слоя: это тоже не один однородный раствор. После встряхивания капли масла временно распределяются в воде, но это не делает их молекулярным раствором.

Наблюдение помогает выбрать объяснение, но важно учитывать известный состав и условия. Неизвестные растворы не определяют на вкус. Иллюстрации показывают характерные признаки, а не заменяют исследование состава вещества.

3. Что происходит с частицами

В кристалле сахара молекулы расположены упорядоченно. При растворении вода взаимодействует с ними, и молекулы сахара постепенно переходят в раствор. Они сохраняют свой состав и распределяются между молекулами воды. Растворение сахара не является его плавлением: для плавления нужен переход твёрдого сахара в жидкий сахар, а здесь образуется смесь с другим веществом.

У поваренной соли кристалл построен из ионов Na⁺ и Cl⁻. В водном растворе эти ионы разделены и окружены молекулами воды. Поэтому нельзя описывать все растворы только как набор одинаково устроенных «молекул вещества». Частицы растворённого вещества зависят от его природы. Подробное устройство ионов и их взаимодействия изучают отдельно.

В модели на странице показаны 80 маркеров молекул сахара и 220 маркеров воды. Число каждого вида сохраняется при любом положении ползунка. Это условная схема распределения, а не точное соотношение молекул в заданном растворе. Размеры, цвета, траектории и скорость выбраны для удобства наблюдения. Одна молекула сахара выделена, чтобы её можно было проследить.

4. Как описать и приготовить состав

Для воспроизводимого состава недостаточно сказать «добавим ложку». Ложки и размеры крупинок различаются. Массу вещества определяют на весах, объём жидкости — подходящей мерной посудой. Химический стакан удобен для смешивания, но его деления обычно не дают такой точности, как специально предназначенная мерная посуда. При чтении уровня жидкости глаза располагают на уровне мениска; для воды обычно смотрят на нижнюю точку вогнутой поверхности.

В заданиях этого урока вода и соль заданы в граммах, поэтому пересчёт объёма в массу не нужен. Нельзя подставить миллилитры в формулу вместо граммов без учёта плотности. Также нельзя складывать объёмы компонентов и всегда ожидать точно такую же сумму для раствора.

Чтобы получить раствор с заданной массовой долей, сначала рассчитывают массы компонентов. Затем взвешивают растворённое вещество и воду, смешивают и добиваются полного растворения. В расчёте предполагается, что ничего не пролилось и не испарилось, а вещества достаточно растворимы при выбранной температуре. Если остаётся твёрдый остаток, состав получившегося раствора нужно пересчитать.

5. Есть ли предел растворения?

При заданной температуре в определённой массе воды может раствориться ограниченная масса соли. Растворимость часто выражают числом граммов вещества, которое может раствориться в 100 г растворителя до получения насыщенного раствора. Нужно обязательно назвать вещество, растворитель и температуру.

Ненасыщенный раствор способен растворить дополнительную порцию вещества при тех же условиях. Насыщенный раствор уже достиг предела растворимости. Если добавить ещё соль, после достаточного времени перемешивания избыток останется твёрдым. Однако видимый остаток не обязателен: можно взять ровно столько соли, сколько растворится до насыщения.

В лаборатории на странице для NaCl при 20 °C принят округлённый предел 36 г соли на 100 г воды. Это не означает 36 г на 100 г раствора. Масса насыщенного раствора в таком примере равна 100 + 36 = 136 г. Значения даны для учебного расчёта, а не для точного приготовления аналитического образца.

50 г соли и 100 г воды

Может раствориться 36 г. Значит, растворится 36 г, а 50 − 36 = 14 г останется на дне. Масса раствора равна 136 г, масса всей смеси вместе с остатком — 150 г. Твёрдый остаток не включают в массу раствора.

Добавим ещё 50 г воды. Теперь предел равен 36 × 150 / 100 = 54 г. Все имеющиеся 50 г соли смогут раствориться, остатка не будет. Получится 200 г ненасыщенного раствора; до предела ещё 4 г соли.

6. Быстрее — не значит больше

Перемешивание помогает обновлять воду около поверхности кристаллов. Измельчение увеличивает общую площадь поверхности соприкосновения соли или сахара с водой. Эти действия обычно ускоряют растворение. Но при неизменных температуре, составе растворителя и количестве воды они не повышают равновесный предел растворимости данного вещества.

Чтобы сравнить влияние одного фактора, остальные условия сохраняют. Например, берут одинаковые массы сахара и воды при одной температуре, а перемешивают только один сосуд. Если одновременно изменить и температуру, и массу воды, и размер крупинок, будет трудно определить причину различия.

В интерактиве в каждом сосуде 10 г сахара и 100 г воды: весь сахар может раствориться. Можно включить перемешивание или измельчение для второго сосуда и сравнить одинаковый момент. В конце в обоих окажется по 10 г растворённого сахара. Временная шкала и коэффициенты ускорения условные; они показывают принцип, а не предсказывают минуты реального опыта.

Сначала сформулируйте прогноз: «Что изменится — время или конечная масса?» Затем проверьте ранний и поздний моменты. Если смотреть только в середине опыта, более быстрое растворение легко ошибочно принять за более высокую растворимость.

7. Температура и кристаллы

Растворимость многих твёрдых веществ с повышением температуры увеличивается, но степень изменения различна. У нитрата калия KNO₃ рост выражен сильно, у хлорида натрия NaCl — слабо. Существуют вещества с другой зависимостью, поэтому правило «чем горячее, тем больше растворится» не является универсальным законом.

На графике горизонтальная ось — температура воды, вертикальная — предельная масса соли на 100 г воды. Это график растворимости, а не скорости растворения. Для каждой температуры программа предполагает, что система уже успела прийти к равновесию. Значения округлены; между отметками проведена учебная интерполяция.

Охлаждение раствора KNO₃

При 60 °C модельный предел равен 110 г на 100 г воды, поэтому 100 г KNO₃ могут раствориться целиком. При охлаждении до 20 °C предел снижается примерно до 32 г. Если вода не испаряется, после установления равновесия 100 − 32 = 68 г соли выделится в кристаллы. В растворе останутся 32 г соли и 100 г воды.

Кристаллы на изображении служат иллюстрацией роста кристаллических тел, а не измерительным результатом выбранного положения ползунка. Связанными с ползунком данными являются точка на графике, предел растворимости и расчёт растворённой массы и остатка. В реальности появление кристаллов может задерживаться; здесь пересыщенные состояния не моделируются.

8. В воде растворяются и газы

Рыбы получают через жабры кислород, растворённый в воде в виде молекул O₂. Это не кислород, входящий в состав молекулы H₂O: в обычном дыхании рыба не расщепляет воду на водород и кислород. Растворённый газ не обязательно виден в виде пузырьков. Пузырьки — уже отдельная газовая фаза.

При одинаковом давлении растворимость кислорода в воде при нагревании обычно уменьшается. Поэтому прохладная вода при насыщении воздухом может содержать больше растворённого кислорода, чем тёплая. Фактическое содержание в водоёме зависит также от перемешивания, дыхания организмов, фотосинтеза и других процессов. Одна температура не определяет состояние всего водоёма.

На растворимость газов влияет и давление. В закрытой бутылке газированной воды повышенное давление помогает удерживать CO₂ в растворе. При открывании давление над жидкостью падает, часть растворённого газа выходит. Это объясняет, почему важно указывать условия, когда сравнивают растворимость.

9. Массовая доля: часть от целого

Массовая доля показывает, какую часть массы раствора составляет растворённое вещество. Для получения процентов отношение умножают на 100 %. В знаменателе находится масса всего раствора, а не только воды.

w = m(вещества) / m(раствора) × 100 %

Если вещество растворилось целиком и потерь нет, масса раствора равна сумме масс воды и растворённого вещества. При наличии твёрдого остатка учитывают только ту часть вещества, которая перешла в раствор.

Пример 1: найти процент

20 г соли растворили в 180 г воды. Масса раствора: 20 + 180 = 200 г. Массовая доля: 20 / 200 × 100 % = 10 %. Ошибочное деление 20 / 180 сравнивает соль с водой, а не с раствором.

Пример 2: получить 250 г 12%-го раствора

Масса соли: 250 × 12 / 100 = 30 г. Масса воды: 250 − 30 = 220 г. Проверка: 30 + 220 = 250 г; 30 / 250 × 100 % = 12 %. Нельзя взять 250 г воды и ещё 30 г соли: тогда общая масса станет 280 г.

Пример 3: есть остаток

В системе из 50 г соли и 100 г воды при принятом пределе растворяется 36 г. Массовая доля соли в растворе: 36 / 136 × 100 % ≈ 26,5 %. Оставшиеся 14 г кристаллов не относятся к раствору.

Сетка в интерактиве состоит из 100 равных долей массы раствора. Окрашенные клетки показывают процент соли. Это не счёт молекул и не изображение объёма. При выбранных на странице долях 1–25 % соль может полностью раствориться в модели при 20 °C.

10. Проверь объяснение

«Не вижу — значит, исчезло». Спросите, где теперь находятся частицы и как проверить сохранение массы. «Раствор прозрачен, значит, бесцветен и чист». Сравните цветной прозрачный раствор с бесцветным раствором сахара. Однородность не означает наличие только одного вещества.

«Дольше мешать — можно растворить сколько угодно». Разделите скорость и предел. «Насыщенный — обязательно с осадком». Рассмотрите точное достижение предела без избытка. Слово «осадок» также часто относят к твёрдому продукту реакции; в нашем опыте на дне остаётся добавленная, но не растворившаяся соль.

«36 г на 100 г — это 36 %». Уточните, 100 г чего указаны: воды или раствора. «Горячая вода всегда растворяет больше». Сравните две соли на графике и вспомните газы. «Граммы и миллилитры можно свободно заменить». Проверьте единицы и плотность.

11. Задания и ответы

1. Почему голубой раствор может быть прозрачным, а смесь воды с песком — неоднородной?
2. В модели 80 молекул сахара. Сколько их должно остаться после полного растворения? Что изменилось?
3. При 20 °C к 100 г воды добавили 40 г NaCl. Используйте предел 36 г на 100 г воды. Найдите растворённую массу, остаток и массу раствора.
4. Сколько воды нужно добавить к системе из предыдущего задания, чтобы все 40 г могли раствориться, если температуру не менять? Найдите минимальную массу добавляемой воды.
5. В воде растворили 15 г соли; получилось 150 г раствора. Найдите массу воды и массовую долю.
6. Рассчитайте состав 400 г 8%-го раствора.
7. Какой фактор в опыте проверяется, если два одинаковых раствора различаются только перемешиванием? Что нужно наблюдать?
8. В 100 г воды растворено 60 г KNO₃ при достаточно высокой температуре. Сколько кристаллов получится при равновесном охлаждении до 20 °C в нашей модели, если вода не испаряется?

Показать ответы с объяснениями

1. Цвет и прозрачность — разные свойства; в растворе частицы распределены на молекулярном или ионном уровне, а в смеси с песком остаются отдельные зёрна. 2. 80: изменилось расположение, а не число молекул. 3. Растворится 36 г, останется 4 г, масса раствора 136 г. 4. Для 40 г нужно не менее 40 × 100 / 36 ≈ 111,12 г воды; добавить надо примерно 11,12 г (результат округлён вверх). В интерактиве с шагом 10 г достаточно добавить 20 г. 5. Воды 135 г, доля 10 %. 6. Соли 32 г, воды 368 г. 7. Влияние перемешивания на скорость; сравнивают массу растворившегося вещества в одинаковые моменты или время полного растворения. 8. Предел 32 г, значит, кристаллизуется 60 − 32 = 28 г.

12. Заметки для учителя

Результат обучения: ученик различает раствор и неоднородную смесь, называет растворитель и растворённое вещество, объясняет сохранение частиц, отделяет скорость от растворимости и рассчитывает массовую долю. Предварительно нужны понятия молекулы, иона на ознакомительном уровне, смеси, массы и процента.

Последовательность: начните с трёх образцов и вопроса о прозрачности; затем перейдите к модели сахара. До изменения ползунка насыщения попросите прогноз. Обсудите систему с остатком, после чего добавьте воду. Раздел о скорости удобно использовать как задание на контроль переменных. График температуры и массовая доля могут стать второй частью занятия или самостоятельной работой.

Оценивание: просите объяснять не только число, но и выбранный знаменатель, границу между раствором и всей смесью, постоянные условия опыта. Достаточный ответ содержит рассуждение «сколько может раствориться → сколько добавлено → сколько осталось». Для поддержки дайте 100 г воды; для усложнения измените её массу или предложите обратную задачу.

Все основные задания доступны без реального химического опыта. Если проводится практическая работа, используют согласованный школьный протокол, подходящую посуду и известные разрешённые вещества. Не оценивают неизвестные образцы на вкус. На телефоне движение отключено, но ручные ползунки работают. Блоки 3D — только места подключения будущих моделей.

13. Дополнительное чтение и границы моделей

Объяснения написаны самостоятельно. Числовые кривые округлены и предназначены для обучения. Схемы не показывают реальные размеры частиц, все их взаимодействия или точные скорости; лаборатория насыщения предполагает равновесие и отсутствие потерь воды. Художественные изображения не являются фотопротоколом опыта.

• American Chemical Society: различия растворения сахара и соли
• American Chemical Society: температура и растворение
• USGS: растворённый кислород в воде

Внешние материалы требуют доступа к интернету; сам урок, иллюстрации, расчёты и чтение работают локально.

← К интерактивам