Энергия образования молекулы воды высока и составляет 242 кДж/моль. Поэтому вода химически весьма устойчива, особенно в природных условиях. Эта устойчивость в сочетании с электрическими характеристиками воды и молекулярным строением делает воду практически универсальным растворителем для многих веществ, В самом деле, большинство минеральных и органических веществ, а также газов растворимы в воде.
Вода, как растворитель
Чтобы растворить вещество, нужно разрушить силы сцепления, создающиеся благодаря электростатическим или ковалентным силам, которые могут быть:
- межатомными строго химическими связями; ковалентными связями (между атомами), электровалентными или ионными связями (атом — электроны);
- межмолекулярными связями сцепления между молекулами (водородные связи);
- слабыми силами притяжения (Лондон, Ван-дер-Ваальс). Такое разнообразие связей объясняет множество различных состояний вещества.
Силы гидратации воды (биполярной молекулы) полностью или частично разрушают (начиная со слабых сил притяжения) различные электростатические связи между атомами и молекулами растворенного вещества. Эти связи заменяются новыми связями с молекулами воды, обусловливающими возникновение новых структур, что приводит к истинно, химическим реакциям (сольватации). При полной сольватации происходит образование раствора.
Растворимость веществ в различных фазах
Газы. Растворимость их подчиняется закону Генри, по которому количество газа, способного раствориться, пропорционально коэффициенту растворимости а каждого газа, концентрации С газа в газовой фазе и общему давлению Р газовой фазы над водой. Объем растворяющегося газа равен У=аСР.
Ангидриды (С02, S02) и различные газообразные кислоты (НСl), растворяясь в воде, вступают в реакцию с ней. Коэффициент растворимости таких соединений намного выше, чем у многих других газов.
Кислород более растворим, чем азот; экстрагируемые из воды растворенные газы богаче кислородом, чем исходный воздух.
Жидкости. Так как молекула воды полярна, растворимость жидкости в воде зависит от полярности молекул растворяемой жидкости. Например, молекулы, содержащие группы ОН-(спирты, сахара), SH- и NH-2, сильно полярны и хорошо растворимы в воде, между тем другие жидкости (углеводороды, четыреххлористый углерод, масла и жиры и т. д.) будучи неполярными очень слабо растворимы в воде. Имеются частично растворимые вещества, которые смешиваются только при температуре выше критической (так вода и фенол смешиваются при температуре выше 63,5 °С), или ниже критической температуры (триметиламин растворяется во всех пропорциях, но при температуре ниже 18,5 °С) или же при температуре, находящейся в пределах между двумя критическими, высшей и низшей (водно-никотиновая система).
Твердые вещества. Растворимость, которая определяется максимальной массой вещества, растворяющегося в данной массе растворителя, имеет точное значение только при растворении кристаллических веществ. В случае растворения макро-молекулярных веществ подобного точного равновесия, какое существует между кристаллическим веществом и соответствующим насыщенным раствором, не создается; часто не наблюдается разрыва между протекающим непрерывно переходом вещества из твердого состояния в раствор. Более того, раствор макромолекул обычно содержит молекулярные частицы различных размеров. При очистке воды приходится учитывать размер и электрический заряд растворенных частиц, поэтому следует различать типы растворов и суспензий.
Истинный или молекулярный раствор представляет собой гомогенную (однофазную) систему. В кристаллоидном растворе растворенные частицы представлены малыми молекулами (менее нанометра) как ионизированными (кислоты, щелочи, соли), так и неионизированными (сахара и т. п.). Макромолекулярный раствор образуется из частиц размером более нанометра, он может включать ионизированные группы.
Коллоидные суспензии, называемые также мицеллярными или псевдорастворами, состоят из двух фаз и являются четко выраженными гетерогенными системами, в которых диспергированные частицы разных размеров представляют собой скопления атомов (металлы) или молекул. Суспензии (с твердыми веществами) и эмульсии (с жидкостями) образуются из частиц, видимых в оптический микроскоп.
Гидрофилизация
Растворимость вещества может быть различной в зависимости от типа растворителя. Например, хлористый натрий растворяется в воде лучше, чем в спирте, а парафин — лучше растворяется в бензоле, чем в воде.
Растворимость в воде зависит от природы вещества, или более определенно, от функциональных групп, входящих в его состав; поэтому характерные группы классифицируются на гидрофильные (ОН—СО—NH2 и т.д.) и гидрофобные (СН3—СН2— С6Н5).
В некоторых случаях растворение или простое смачивание осуществляется с помощью третьего составляющего, называемого солюбилизатором для истинных растворов и пептизатором для коллоидных, эмульсификатором для эмульсий, стабилизатором для коллоидных суспензий и смачивающим агентом для действия на поверхности. Эти вспомогательные агенты являются связующими между растворителем и растворяемым веществом, поддерживая последнее в диспергированном или смоченном состоянии.
Связующая способность растворителя обусловлена его гидрофильной группой, а связующая способность трансформируемою вещества — либо химической природой (в результате действия щелочей., или сильных кислот), либо силами когезии. Последняя образуется вследствие асимметричности (полугидро-фильности) молекул. Один конец молекулы имеет сродство к воде и является гидрофильным, а другой имеет тенденцию к ассоциации (действие детергентов, тринатрийфосфата, смачивающих агентов) с молекулами стабилизируемого вещества или вещества, адсорбируемого на его поверхности. Образуются более гидрофильные частицы или адсорбированные комплексы.
Некоторые агенты могут разрушать связи между растворителем и веществом, находящимся в растворенном состоянии, диспергированном или смоченном. В зависимости от характера действия подобные агенты называются осадителями, коагулянтами, флокулянтами, уплотнителями или депрессантами. Такое разрушение может быть вызвано химическим воздействием (например, нейтрализацией ОН- ионов или ионизированных групп). Вспомогательные агенты способны разрушать полугидрофильные ковалентные связи вследствие нейтрализации гидрофильной части или притягиванием гидрофильной части к поверхности либо пузырька воздуха (флотация), либо к более или менее гидрофильному нерастворенному адсорбенту. Разрушение вызывается также в результате нейтрализации электростатических сил (действие поливалентных катионов и ионных полиэлектролитов).
Истинные растворы
Соотношение между растворенным веществом и растворителем может быть выражено:
- концентрацией по массе (число единиц массы растворенного вещества в единице массы растворителя);
- молярной долей (отношение числа молей растворенного вещества к общему числу молей, т. е. растворитель+растворенное вещество);
- моляльностью (число молей, растворенных в 1000 г растворителя);
- молярностью (число молей, растворенных в 1 л раствора).
Молекулы растворенного вещества ведут себя в растворителе точно так же, как молекула газа в другом газе. Сильно разбавленные растворы хорошо описываются законами идеальных газов. Если концентрация значительна, растворенные молекулы менее активны, чем то же число молекул идеального газа. Концентрация (с) заменяется в этом случае активностью [a]:
[a] = (с)f.