Раздел 5. РОЗЧИНИ.ТЕОРІЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

§ 5.3. Тепловые явления при растворении

Растворение веществ сопровождается тепловым эффектом: выделением или поглощением теплоты - в зависимости от природы вещества. Во время растворения в воде, например, гидроксида калия, серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора, т.е. выделение теплоты, а при растворении нитрата аммония - сильное охлаждение раствора, то есть поглощение теплоты. В первом случае осуществляется экзотермический процесс (∆Н 0), во втором - эндотермический (∆Н > 0). Теплота растворения ∆Н - это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при растворении 1 моль вещества. Так, для гидроксида калия ∆Н° = -55,65 кДж/моль, а для нитрата аммония ∆ Н = +26,48 кДж/моль.

В результате химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называются сольватами (или гидратами, если растворителем является вода). Образование таких соединений роднит растворы с химическими соединениями.

Великий русский химик Д.И. Менделеев создал химическую теорию растворов, которую он обосновал многочисленными экспериментальными данными, изложенными в его труде “Исследование водных растворов по их удельному весу", опубликованной в 1887 г. “Растворы суть химические соединения, определяемые силами, действующими между растворителем и растворенной веществом”, - писал он. Теперь известна природа этих сил. Сольваты (гидраты) образуются за счет донорно-акцепторного, ион-дипольного взаимодействия, за счет водородных связей, а также взаимодействия дисперсной (в случае растворов родственных веществ, например бензола и толуола). Особенно склонны к гидратации (соединения с водой) ионы. Ионы присоединяют полярные молекулы воды, в результате образуются гидратированные ионы (см. § 5.4); поэтому, например, в растворе ион купруму(II) голубой, а в безводном сульфаті купруму он бесцветный. Многие из таких соединений непрочны и легко разлагаются при выделении их в свободном состоянии, однако в ряде случаев образуются прочные соединения, которые можно легко выделить из раствора кристаллизацией. При этом выпадают кристаллы, содержащие молекулы воды.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристалогідратами, а вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристалізаційною. Кристалогідратами есть много природных минералов. Ряд веществ (в том числе и органические) добываются в чистом виде только в форме кристаллогидратов. Д.И. Менделеев доказал существование гидратов серной кислоты, а также ряда других веществ.

Следовательно, растворение - не только физический, но и химический процесс. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя. Ученик Д.И. Менделеева Д.П. Коновалов всегда подчеркивал, что между химическими соединениями и растворами нет границ.

Жидкие растворы занимают промежуточное положение между химическими соединениями постоянного состава и механическими смесями. Как и химические соединения, они однородны и характеризуются тепловыми явлениями, а также концентрацией, что часто наблюдается - уменьшением объема при смешивании жидкостей. С другой стороны, в отличие от химических соединений растворы не подлежат закон постоянства состава. их, как и смеси, можно легко разделить на составляющие части. Процесс растворение - это физико-химический процесс, а растворы - физико-химические системы.

Большое внимание изучению растворов уделял М.В. Ломоносов. Он провел исследование по установлению зависимости растворимости веществ от температуры, изучал явления выделения и поглощения теплоты при растворение и открыл охлаждающие смеси. М.В. Ломоносов впервые установил, что растворы замерзают (кристаллизуются) при более низкой температуре, чем растворитель. Он также дал молекулярно-кинетическое объяснение растворению, близкий к современному, считая, что частицы вещества, растворились, равномерно распределяются среди частиц растворителя.

1 В химических формулах и гидратов кристаллогидратов формулу воды пишут отдельно (через точку), например H 2 SO 4 ∙ Н 2 О, H 2 SO 4 2Н 2 О, H 2 SO 4 ∙ 4Н 2 О, Н 2 С 2 О 4 ∙ 2Н 2 O , N 2 SO 4 ∙ 10 Н 2 О, Al 2 (S 0 4) 3 1 8Н 2 О и др.

Около 40 лет научной работы посвятил изучению растворов Д.И. Менделеев. Его химическая теория растворов оказалась исключительно плодотворной. На ее основе сформировались новые научные дисциплины - такие, как физико-химический анализ, химия комплексных соединений, электрохимия неводных растворов. Ныне эта теория общепризнана.

Значительный вклад в развитие химической теории растворов внесли известные российские ученые Д.П. Коновалов, 1.0. Каблуков, М.С. Курнаков.

Раствором называют гомогенную систему, состоящую из двух или большего числа компонентов. При переходе вещества в раствор происходит разрыв межмолекулярных и ионных связей кристаллической решетки твердого вещества и переход его в раствор в виде отдельных молекул или ионов, которые равномерно распределяются среди молекул растворителя.

Для разрушения кристаллической решетки вещества необходимо затратить большую энергию. Эта энергия освобождается в результате гидратации (сольватации) ионов и молекул, т. е. химического взаимодействия растворяемого вещества с водой (или вообще с растворителем).

Значит, растворимость вещества зависит от разности величин энергии гидратации (сольватации) и энергии кристаллической решетки вещества.

Энергия растворения ∆Н раст - энергия, поглощающаяся (или выделяющаяся) при растворении 1 моль вещества в таком объеме растворителя, дальнейшее прибавление которого не вызывает изменения теплового эффекта.

Общий тепловой эффект растворения зависит от тепловых эффектов:

· а) разрушения кристаллической решетки (процесс всегда идет с затратой энергии ∆Н 1 >0);

· б) диффузии растворенного вещества в растворителе (затрата энергии ∆Н 2 >0);

· в) сольватации (гидратации) (выделение теплоты, ∆Н 3 <0, так как между растворителем и растворенным веществом образуются непрочные химические связи, что всегда сопровождается выделением энергии).

Общий тепловой эффект растворения ∆Н p будет равен сумме названных тепловых эффектов

Энергия растворения определяется по формуле 1.1:

∆Н pac т =∆Н к p . р. + ∆Н c , (1.1)

где ∆Н раст - энергия растворения вещества, кДж/моль;

∆Н c - энергия взаимодействия растворителя с растворяемым

веществом (энергия сольватации), кДж/моль;

∆Н к p .р. - энергия разрушения кристаллической решетки,

кДж/моль.

Если энергия разрушения кристаллической решетки больше энергии сольватации, то процесс растворения будет эндотермическим процессом, поскольку энергия, затраченная на разрушение кристаллической структуры, не будет скомпенсирована энергией, выделяющейся при сольватации.

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии сольватации, то процесс растворения будет экзотермическим процессом, поскольку энергия затраченная на разрушение кристаллической структуры полностью скомпенсирована энергией, выделяющейся при сольватации. Следовательно, в зависимости от соотношения между энергией разрушения кристаллической решетки растворенного вещества и энергией взаимодействия растворенного вещества с растворителем (сольватация) энергия растворения может быть как положительной, так и отрицательной величиной.

Так, при растворении в воде хлорида натрия температура практически не изменяется, при растворении нитрата калия или аммония температура резко снижается, а при растворении гидроксида калия или серной кислоты температура раствора резко повышается.

Растворение твердых веществ в воде чаще бывает процессом эндотермическим, так как во многих случаях при гидратации выделяется теплоты меньше, чем тратится на разрушение кристаллической решетки.

Энергию кристаллической решетки можно рассчитать теоретически. Однако для теоретического расчета энергии сольватации до сих пор нет надежных методов.

Существуют некоторые закономерности, которые связывают растворимость веществ с их составом.

Для солей одного и того же аниона с разными катионами (или наоборот) растворимость будет наименьшей в том случае, когда соль образована ионами одинакового заряда и примерно одинакового размера, т.к. в этом случае энергия ионной кристаллической решетки максимальна.

Например, растворимость сульфатов элементов второй группы периодической системы уменьшается по подгруппе сверху вниз (от магния к барию). Это объясняется тем, что ионы бария и сульфата по размерам больше всего подходят друг к другу. В то время как катионы кальция и магния намного меньше анионов SO 4 2- .

Растворимость гидроксидов этих элементов, наоборот, увеличивается от магнию к бария, потому что радиусы катионов магния и анионов гидроксида практически одинаковые, а катионы бария по размеру очень отличаются от небольших анионов гидроксила.

Однако бывают исключения, например, для оксалатов и карбонатов кальция, стронция, бария и др.

1) используя изменение температуры при растворении.

Количество энергии, выделяющейся при нагревании или охлаждении тела рассчитывается по уравнению (1.2):

, (1.2)

где ∆Н раств. – энергия растворения вещества, кДж/моль;

с А - удельная теплоемкость вещества А, Дж/(г∙К);

m 1 - масса вещества А, г;

∆Т – изменение температуры, град.

ПРИМЕР 1.1 При растворении 8г хлорида аммония в 291г воды температура понизилась на 2 0 . Вычислите теплоту растворения NH 4 C1 в воде, принимая удельную теплоемкость полученного раствора равной теплоемкости воды 4,1870 Дж/(г * К).

Решение:

Используя уравнение (1.2), рассчитаем энергию, поглощаемую 291 г воды при растворении 8г NH 4 C1, т.к. при этом температура уменьшается на 2 0 С, то: ∆Н раств. = -(4,187∙291∙(-2)) = 2436,8 Дж.

Для определения энтальпии растворения NH 4 C1 составляем пропорцию, М (NH 4 C1)=53,49 г/моль:

8г NH 4 Cl - 2436,8 Дж

53,49г NH 4 C1 - х Дж

х = 1629,3Дж = 16,3кДж. Следовательно, растворение NH 4 C1 сопровождается поглощением тепла.

2) используя следствие из закона Гесса: тепловой эффект химической реакции (ΔН 0 х.р.) равен сумме теплот (энтальпий) образования продуктов реакции (ΔH 0 o 6р. . npo д.) минус сумма теплот (энтальпий) образования исходных веществ (ΔН 0 обр. исх.) с учётом коэффициентов перед формулами этих веществ в уравнении реакции.

ΔН 0 х.р. = ΣΔН 0 обр.прод - Σ ΔН 0 обр.исх, (1.3)

ПРИМЕР 1.2 Рассчитайте тепловой эффект реакции растворения алюминия в разбавленной соляной кислоте, если стандартные теплоты образования реагирующих веществ равны (кДж/моль): ∆Н 0 (НС1) { aq } = - 167,5; ∆Н 0 А1С1 3 {а q } = -672,3.

Решение: Реакция растворения А1 в соляной кислоте протекает по уравнению 2А1+6НС1 (aq) =2AlCl 3(aq) +3H 2 . Поскольку алюминий и водород являются простыми веществами, то для них ΔН 0 =0 кДж/моль, то тепловой эффект реакции растворения равен:

∆Н 0 298 =2∙∆Н 0 А1С1 3 {а q } -6∙∆Н 0 НС1 { aq }

∆Н 0 298 =2∙(-672,3)-6∙(-167,56)=-339,2кДж.

Используя следствие из закона Гесса можно определить возможность протекания реакции растворения. В этом случае необходимо рассчитать энергию Гиббса.

ПРИМЕР 1.3 Будет ли растворяться сульфид меди в разбавленной серной кислоте, если энергия Гиббса реагирующих веществ равна (кДж/моль): ∆G 0 (CuS (к))= -48,95; ∆G 0 (H 2 SО 4(aq))=-742,5; ∆G 0 (CuSО 4(aq))= -677,5, ∆G 0 (Н 2 S (г)) = -33,02.

Решение. Для ответа необходимо подсчитать ∆G 0 298 реакции растворения. Возможная реакция растворения CuS в разбавленной H 2 SO 4 протекает по уравнению:

CuS (к) + H 2 SО 4 (aq) = CuSО 4 (aq) + H 2 S (г)

∆G 0 298 =∆G 0 (CuSО 4(aq)) + ∆G 0 (Н 2 S (г)) -∆G 0 (CuS (K)) -∆G 0 (H 2 SО 4(aq))

∆G 0 298 = -677,5-33,02 + 742,5 + 48,95 =80,93 кДж/моль.

Так как ∆G>0, реакция невозможна, т. е. CuS не будет растворяться в разбавленной H 2 SO 4 .

Теплота гидратации ∆Н 0 гидрат. - теплота, выделяемая при взаимодействии 1 моль растворяемого вещества с растворителем - водой.

ПРИМЕР 1.4. При растворении 52,06г ВаС1 2 в 400 моль Н 2 О выделяется 2,16 кДж теплоты, а при растворении 1 моль ВаС1 2 ∙2Н 2 О в 400 моль Н 2 О поглощается 18,49 кДж теплоты. Вычислите теплоту гидратации безводного ВаС1 2 ,

Решение. Процесс растворения безводного ВаС1 2 можно представить следующим образом:

а) гидратация безводной соли ВаС1 2

ВаС1 2 +2Н 2 О = ВаС1 2 ∙2Н 2 О; ∆Н гидр. <0

б) растворение образовавшегося гидрата

BaCl 2 ∙2H 2 О+aq* → ВаС1 2 ∙2Н 2 О (aq); ∆Н раст. >0

Количество теплоты ∆Н 0 , выделяющееся при растворении безводного ВаС1 2 , равно алгебраической сумме тепловых эффектов этих двух процессов:

∆Н 0 == ∆Н 0 гидр +∆Н 0 раств; ∆Н 0 гидр = ∆Н 0 - ∆Н 0 раств

Для вычисления теплоты гидратации безводного хлорида бария надо определить теплоту растворения ВаС1 2 для тех же условий, что и для ВаС1 2 ∙2Н 2 О, т. е. для 1 моль ВаС1 2 (раствор в обоих случаях должен иметь одинаковую концентрацию); M(BaCl 2)=208,25 г/моль

52,06г ВаС1 2 - 2,16кДж

208,25г ВаС1 2 - х кДж

х=8,64 кДж/моль. Следовательно, ∆Н раств =-8,64 кДж/моль.

Тогда ∆Н гидр =18,49+8,64 =27,13 кДж/моль.

Растворение – физико-химический процесс, ведущий к образованию гомогенной системы. Тепловые эффекты, сопровождающие его, являются следствием самых разнообразных причин. Рассмотрим несколько примеров:

А) Процесс растворения в воде жидкостей может сопровождаться такими явлениями, как диссоциация полярных молекул с образованием ионов, возникновением водородных связей между полярными молекулами воды и молекулами веществ, содержащих элементы с высокой электроотрицательностью, гидратацией химических частиц, и т.д.

С 2 Н 5 ОН - Н 2 О

Эта система отвечает образованию идеальных растворов в широком диапазоне концентраций. Процесс растворения должен сопровождаться образованием водородных связей, следовательно, является энергетически выгодным, то есть обладает положительным тепловым эффектом.

СН 3 СООН - Н 2 О

Уксусная кислота является слабой одноосновной кислотой К д = 1,8 10 -5 , следовательно, при растворении в воде какая то часть энергии будет затрачена на диссоциацию молекул (отрицательный тепловой эффект), а часть энергии, наоборот, будет выделяться в виде теплоты при гидратации ионов. Суммарный эффект будет зависеть от соотношения этих величин.

Б) Процесс растворения твердых веществ в воде зависит от типа кристаллической решетки последних. Как правило, растворение ионных кристаллов связано с двумя противоположными эффектами: положительной величиной энергии гидратации ионов и отрицательной – разрушения кристаллической решетки. У молекулярных кристаллов первая составляющая практически отсутствует. При сливании разбавленных растворов солей сильных электролитов теплового эффекта не наблюдается. Если же при этом образуется осадок, наблюдается тепловой эффект осаждения.

Интегральная теплота растворения –это количество теплоты, поглощающееся или выделяющееся при растворении 1 моль вещества в очень большом (300 моль/ моль вещества) количестве растворителя.

Пример расчетной задачи:

Вычислить интегральную теплоту растворения хлорида аммония, если при растворении 1,473 г соли в 528,5 г воды температура понизилась на 0,174 о С. Массовая теплоемкость раствора 4,109 Дж/г. К. Теплоемкость калориметра 181,4 Дж/ г. К

Решение: Интегральную теплоту растворения можно рассчитать по формуле:

Q = (C калорим. + С р-ра. m)× ΔТ/n,

где С - теплоемкость, n - количество растворенного вещества: n = m/M

m (р-ра) = 528,5 +1,473 = 530 г,

ΔТ = -0,174 о С,

Q = (4,109 × 530 + 181,4)×(-0,174)×53,5/ 1,473×1000 = -15,11 кДж/моль Из курса химической термодинамики известно, что мерой теплового эффекта химического процесса при изобарном процессе (постоянство давления в системе) является термодинамическая функция состояния – энтальпия

ΔН = Н кон. – Н нач. Тепловой эффект при этом равен по абсолютной величине энтальпии, но противоположен ей по знаку. Экзотермический процесс, сопровождающийся выделением тепла, соответствует –ΔН, а эндотермический, сопровождающийся поглощением тепла, соответствует +ΔН.Таким образом, в рассмотренной выше задаче процесс растворения хлорида аммония – эндотермический, ΔН = 15,11 кДж/моль.

Главную роль в образовании сольватов играют непрочные межмолекулярные силы и, в частности, водородная связь. Так, рассматривая механизм растворения вещества на примере NaCl в воде, было видно, что положительные и отрицательные ионы, имеющиеся в кристаллической решетке, могут по законам электростатического взаимодействия притягивать или отталкивать полярные молекулы растворителя. Например, положительно заряженные ионы Na + могут быть окружены одним или несколькими слоями полярных молекул воды (гидратация ионов). Отрицательно заряженные ноны Сl - также могут взаимодействовать с молекулами полярного растворителя, но ориентация диполей воды вокруг ионов Сl - будет отличаться от ориентации вокруг ионов Na + (см. рис.1).

Кроме того, довольно часто растворяемое вещество может и химически взаимодействовать с растворителем. Например, хлор, растворяясь, реагирует с водой (хлорная вода)

Сl 2 +Н 2 0=НСl + НОСl

Аммиак, растворяясь в воде, одновременно образует гидроксид аммония (точнее гидрат аммиака)

NН 3 + Н 2 O=NН 3 Н 2 О↔Н 4 + + OН -

Как правило, при растворении поглощается или выделяется тепло и происходит изменение объема раствора. Объясняется это тем, что при растворении вещества происходит два процесса: разрушение структуры растворяемого вещества и взаимодействие частиц растворителя с частицами растворенного вещества. Оба эти процесса сопровождаются различными изменениями энергии. Для разрушения структуры растворяемого вещества требуются затраты энергии, тогда как при взаимодействии частиц растворителя с частицами растворенного вещества происходит выделение энергии.

В зависимости от соотношения этих тепловых эффектов процесс растворения вещества может быть эндотермическим или экзотермическим. Тепловые эффекты при растворении различных веществ различны. Так, при растворении серной кислоты в воде выделяется значительное количество теплоты. Аналогичное явление наблюдается при растворении в воде безводного сульфата меди (экзотермические реакции). При растворении в воде нитрата калия или нитрата аммония температура раствора резко понижается (эндотермические процессы), а при растворении в воде хлорида натрия температура раствора практически не меняется.

Исследование растворов различными методами показало, что в водных растворах образуются соединения частиц растворенного вещества с молекулами воды - гидраты. В случае сульфата меди присутствие гидратов легко обнаружить по изменению цвета: безводная соль белого цвета, растворяясь в воде, образует раствор синего цвета.

Иногда гидратная вода настолько прочно связана с растворенным веществом, что при выделении его из раствора входит в состав его кристаллов. Кристаллические вещества, содержащие в своем составе воду, называются кристаллогидратами . Вода, входящая в структуру таких кристаллов, называется кристаллизационной .

Термохимия.

Раздел химической термодинамики, посвященный исследованиям тепловых эффектов химических реакций, называют термохимией . Значение термохимии в практике весьма большое, если учесть, что тепловые эффекты рассчитывают при составлении тепловых балансов различных процессов и при исследовании химических равновесий.

Термохимия позволяет вычислять тепловые эффекты процессов, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Это относится не только к химическим реакциям, но и к процессам растворения, испарения, сублимации, кристаллизации и др. фазовым переходам.

Тепловым эффектом химической реакции называют максимальное количество теплоты, которое выделяется или поглощается в необратимом процессе при постоянном объеме или давлении и при условии, что продукты реакции и исходные вещества имеют одинаковую температуру и отсутствуют другие виды работ, кроме расширения. Тепловой эффект считается положительным, когда теплота поглощается в ходе реакции (эндотермическая реакция), если теплота выделяется - отрицательным (экзотермическая реакция). Согласно закону Гесса , установленного экспериментально в 1846 г., - тепловой эффект процесса не зависит от промежуточных стадий процесса, а определяется лишь начальным и конечным состояниями системы.

Закон Гесса является вполне строгим только для процессов, протекающих при постоянном объеме, когда тепловой эффект равен ∆U (изменению внутренней энергии), или при постоянном давлении, когда тепловой эффект равен ∆Н (изменению энтальпии).

δ Qv = dU , Qv = ΔU

δ Qp = dH , Qp = ΔH

Для этих процессов он легко выводится из общего первого начала термодинамики (закон Гесса был установлен раньше, чем было введено уравнение первого начала термодинамики).

Выводы из закона Гесса :

1. Теплота образования соединения из исходных веществ не зависит от способа получения этого соединения. Тепловой эффект реакции равен алгебраической сумме теплот образования продуктов реакции минус алгебраическая сумма теплот образования исходных веществ, с учетом стехиометрического коэффициента.

Теплота разложения соединения до тех же исходных веществ равна и противоположна по знаку теплоте образования соединения из этих веществ. Тепловой эффект разложения какого-либо химического соединения точно равен и противоположен по знаку тепловому эффекту его образования

ΔН разл. = - ΔН обр.

1. Если две реакции имеют одинаковые начальные состояния и разные конечные, то разность их тепловых эффектов равна тепловому эффекту перехода из одного конечного состояния в другое.

3. Если из двух различных систем в результате различных процессов образовался одинаковый продукт, то разность между значениями тепловых эффектов этих процессов равна теплоте перехода из первой системы во вторую.

Следствия из закона Гесса:

1. Тепловой эффект реакции равен сумме теплот образования реагентов из простых веществ. Эта сумма разбивается на два слагаемых: сумма теплот образования продуктов (положительная) и сумма теплот образования исходных веществ (отрицательная) с учетом стехиометрических коэффициентов.

ΔHх.р. = ∑ (ΔH f ν i) прод. - ∑(ΔH f ν i) исх.

1. Тепловой эффект реакции равен сумме теплот сгорания исходных веществ минус теплот сгорания продуктов реакции, с учетом стехиометрического коэффициента.

ΔHх.р. = ∑ (ΔH сг i · ν i) исх. - ∑(ΔH сг · ν i) пр.

ΔНх.р.= ΔН сг (СН 4) - ΔН сг (СО 2) - 2 ΔН сг (Н 2 О)

ΔН сг (О 2) = 0

Таким образом, закон Гесса применяется при различных термохимических расчетах, и является основным законом термохимии. Он дает возможность вычислить тепловые эффекты процессов, для которых экспериментальные данные отсутствуют; тепловые эффекты реакций, протекающих в калориметре; для медленных реакций, т. к. теплота в ходе реакции будет рассеиваться, а во многих случаях и для таких, для которых они не могут быть измерены в нужных условиях, или когда процессы еще не осуществлялись. Это относится как к химическим реакциям, так и к процессам растворения, испарения, кристаллизации, адсорбции и др.

Однако применение данного закона требует строгого соблюдения предпосылок, лежащих в его основе. Прежде всего, необходимо, чтобы в обоих процессах были действительно одинаковы начальные и конечные состояния. При этом существенным является не только одинаковость химического состава продуктов, но и условий их существования (температура, давление и др.) и агрегатного состояния, а для кристаллических веществ также и одинаковость кристаллической модификации. При точных расчетах в случае, если какое либо из веществ, участвующих в реакциях, находится в высокодисперсном (т. е. сильно раздробленном) состоянии, существенной оказывается иногда даже и одинаковость степени дисперсности веществ.

Очевидно, что тепловой эффект будет различен также в зависимости от того, будут ли получаемые или исходные вещества находиться в чистом состоянии или в растворе, отличаясь на величину теплоты растворения. Тепловой эффект реакции, протекающей в растворе, равен сумме теплового эффекта самой реакции и теплового эффекта процесса растворения химических соединений в данном растворителе.

Растворение веществ сопровождается различными тепловыми эффектами в зависимости от природы вещества. При растворении в воде, например, гидроксида калия или серной кислоты наблюдается сильное разогревание раствора (теплота выделяется), а при растворении нитрата аммония происходит сильное охлаждение раствора (теплота поглощается). В первом случае протекает экзотермический процесс (?Н < 0), во втором - эндотермический процесс (?H > 0).

Теплота растворения ?H раст в - это количество теплоты, которое выделяется или поглощается при растворении 1 моль вещества. Так, например, при стандартных условиях для гидроксида калия?Н о раств = - 55,65 кДж/моль, а для нитрата аммония?Н о раств = +26,48 кДж/моль.

Теплота растворения - алгебраическая сумма тепловых эффектов всех эндо- и экзотермических стадий процесса.

Рассмотрим механизм растворения хлорида натрия, вещества с ионной кристаллической решеткой (рис.2).

• 1 стадия . Молекулы воды являются диполями, поэтому за счет электростатического притяжения ориентируются соответствующими полюсами на положительно и отрицательно заряженные ионы натрия и хлора, находящиеся на поверхности кристалла, ?Н ориен? 0.
• 2 стадия . Между молекулами воды и ионами натрия и хлора образуются химические связи за счет ион-дипольного взаимодействия, поэтому этот процесс сопровождается выделением энергии, ?Н гидр
• 3 стадия . Возникновение таких связей и выделение энергии приводит к тому, что связи в кристаллической решетке ослабевают, и ионы в гидратированном виде уходят в раствор, покидая поверхность кристалла. Процесс отрыва ионов от кристалла - эндотермический, ?Н отрыва > 0.
• 4 стадия . Диффузия гидратированных ионов по всему объему раствора, ?Н дифф? 0.

Если энергия разрушения кристаллической решетки меньше энергии гидратации растворённого вещества, то растворение идёт с выделением теплоты. Если энергия разрушения кристаллической решётки больше энергии гидратации, то растворение протекает с поглощением теплоты.

В случае идеальных растворов тепловые и объемные эффекты отсутствуют: т.е. ?Н раств = 0, ?V = 0, химические связи не образуется, но энтропия - увеличивается.

Процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества, как говорилось ранее, называется сольватацией, а если растворителем является вода - гидратацией . В результате химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем образуются соединения, которые называют сольватами (или гидратами , если растворителем является вода). Образование таких соединений роднит растворы с химическими соединениями.

Сольваты (гидраты) образуются за счет донорно-акцепторного, ион-дипольного взаимодействия, за счет водородных связей, а также дисперсионного взаимодействия (при растворении родственных веществ, например бензола и толуола).

Особенно склонны к гидратации, т.е. соединению с молекулами воды, ионы. Ионы присоединяют полярные молекулы воды, в результате образуются гидратированные ионы. Поэтому, например, в растворе ион меди (II) голубой, в безводном сульфате меди он бесцветный. Многие сольваты (гидраты) непрочны и легко разлагаются при выделении их в свободном виде, однако в ряде случаев образуются прочные соединения, которые можно легко выделить из раствора кристаллизацией. При этом выпадают кристаллы, которые содержат молекулы воды.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидратами , а вода, входящая в состав кристаллогидратов, называется кристаллизационной . Кристаллогидратами являются многие природные минералы. Ряд веществ (в том числе и органических) получаются в чистом виде только в форме кристаллогидратов.