Д.Г. Кнорре, Л.Ф. Крылова, В.С. Музыкантов - Физическая химия (1134491), страница 28
Текст из файла (страница 28)
В связи, с этим в иэической химии ши око использ е я понятие л еоельно взанмодеиствием частиц растворенного вещества.'Для теории растворов понятие предельно разбавленного раствора имеет такое же значение, как для теории газов представление об идеальном газе. По мере возрастания концентрации растворенного вещества простые закономерности, характерные для предельно разбавленных растворов, начинают искажаться, так как появляется новый тип взаимодействия — начинает сказываться взаимодействие между частицами растворенного вещества.
Однако не всегда эти взаимодействия резко отличаются от тех, которые существовали при низких концентрациях. Это, в частности, относится к растворам, образоианным частицами, не сильно отличающимися по размеру н химической природе, например к раствору, образованному двумя гомо- логами — углеводородами нли спиртами. В таком случае закономерности, свойственные предельно разбавленным растворам„сохраняются вплоть.до больших концентраций растворенного вещества. Такие растворы называются идеальными растворами. Слой молекул растворителя, примыкающий к растворенной частице, называют сольватной оболочкой. Образование этой оболочИ4 ки называется сольватацией частицы растворенного вещества.
Даже если между втой частицей и молекулами сольватной оболочки действуют только ван-дер-ваальсовы силы, наблюдается определенная энергетически преимущественная 1т. е. обладающая самой низкой энергией) ориентация молекул растворителя в сольватной оболочке, т. е. она имеет определенную структуру. Это тем более относится к случаю, когда между частицей растворенного вещества и молекуламн растворителя существуют специфические взаимодействия, например образуются водородные связи, т. е. возникают комплексы определенной структуры, Тогда говорят о специфической сольватации растворенного вещества. Растворение какого-либо вещества представляет собой динамический процесс. Подобно тому как это было рассмотрено для испарения жидкости, на границе между раствором и растворяемым веществом происходит два встречных процесса — отдельные молекулы растворяемого вещества отрываются от основной его массы и переходят в раствор, а другая часть его молекул из раствора возвращается обратно.
Последний процесс усиливается по мере увеличения концентрации растворенного вещества в растворе, поскольку возрастает число молекул, встречающихся с границей раздела между раствором и растворяемым веществом. В конце концов устанавливается некоторая предельная для данной температуры концентрация растворенного вещества, при которой число молекул, поступающих в раствор и уходящих из раствора в единицу времени, становится равным. Образовавшийся раствор в этом случае называют насыи)енным.
Достигнутая предельная концентрация насыщенного раствора называется растворимостью. Ее часто выражают не в молярных, а в массовых единицах, т. е. числом граммов растворенного вещества в единице объема раствора нли на единицу массы растворителя. Обычно растворимость твердых тел растет с температурой, а растворимость газов падает. Растворимость при заданной температуре зависит от природы растворенного вещества и растворителя. Вещества, образующие атомные кристаллы или металлические решетки, в обычных растворителях вообще не растворяются.
Растворимость веществ, образующих ионные решетки, будет рассмотрена далее. Рассмотрим растворимость в воде веществ, образующих молекулярные кристаллы. Появление в воде любых других частиц сопряжено с нарушением системы водородных связей между молекулами воды. Поэтому в воде, как правило, растворимы вещества, способные к образованию новых водородных связей взамен разрушенных. К ним относятся вещества, содержащие атомы кислорода, в особенности гидрокснльные группы, или атомы азота.
Примером органических соединений, хорошо растворимых в воде, могут служить низшие спирты, альдегиды и кетоны, мочевина, формамид. Известно, что метиловый и этиловый спирты, ацетон, формамид смешиваются с 135 водой в любых соотношениях. Это становится ясным из формул этих соединений: СНЭОН С~На ОН СнзССНэ Н С Ннр !! 0 0 Группы, способные образовывать водородные связи с водой,— спиртовая, карбонильная, амидная — называются гидрофильными. Если же молекулы вещества не способны к образованию водородных связей, например молекулы углеводородов и галогенутлеводородов (хлороформ СНС!м тетрахлорид углерода СС!ц дихлорэтан СзНФС1з), то проникновение этих молекул в воду энергетически невыгодно и поэтому эти вещества очень плохо растворимы в воде. Такие вещества называются гидрофобными.
Сложные молекулы, в которых имеются группы, способные к образованию водородных связей, могут содержать и большие фрагменты, не участвующие в образовании водородных связей. Тогда говорят о гидрофобности и гидрофильности отдельных частей молекулы, т. е. радикалов. Так, в этиловом спирте имеетсн гндрофильная оксигруппа и гидрофобный радикал СэНы однако в силу небольшого размера радикал не может пересилить действие оксигруппы. Спирты с большим числом углеродных атомов растворяются в воде гораздо хуже. Среди классов биологически важных соединений к гидрофильным веществам относятся сахара, имеющие большое число гидрофильных оксигрупп, например, глюкоза, которая прекрасно растворима в воде: сн, он — сноп — сноп — сноп-сноп — с ~~0 ~н Наоборот, жиры, которые представляют собой сложные эфиры глицерина н жирных кислот, содержат наряду со сравнительно небольшими сложноэфирными группами громадные гидрофобные радикалы, в целом являются гидрофобными и в воде практически нерастворимы.
Ниже приведена формула триглицерида стеариновой кислоты: СН~ — 0 — СΠ— Спнзя 1 СН вЂ” О-СО-Спнзь 1 сн О со сонм Соединения, образующие в твердом состоянии ионные решетки, т. е. соли, могут растворяться в некоторых растворителях, в первую очередь в воде, с разрушением ионной решетки и выходом ионов в раствор. Затрата энергии на разрушение кристаллической решетки в этом случае компенсируется выигрышем энергии 136 за счет сильных взаимодействий в образующейся вокруг ионов сольватной оболочке.
Естественно, что способность солей к растворению зависит как от прочности их кристаллической решетки, так н от сольватирующей способности молекул растворителя. В тех случаях, когда можно не учитывать эффекты, связанные со специфической сольватацией, количественной мерой сольватирующей способности растворителя может служить его диэлектрическая постояннан. Это связано с тем, что как способность молекул растворителя к неспецифической сольватации ионов, так и ослабление кулоновского взаимодействия между зарядамн, учитываемое введение в выражение (5.4) для закона Кулона диэлектрической постоянной, обусловлены одними и теми же характеристикамо молекул растворителя — значениями постоянного момента диполя и поляризуемости.
Ионы в растворе могут появиться и путем переноса протона от молекулы растворенного вещества на молекулу растворителя или наоборот. Например, сильная кислота при растворении в воде передает свой протон молекуле воды, в результате чего образуется катион океаний НзО+ и анион кислоты. Первоначально образуется ионная пара„ которая легко диссоциирует в воде в силу высокой диэлектрической постоянной последней. Аналогично растворение аммиака в серной кислоте приведет к образованию иона )т)Н«+ и аниона НБО«-. В растворителях с низкой диэлектрической постоянной, которые могут либо отдавать протон, либо обладают неподеленной парой электронов, способной принимать протон от кислоты, образование ионной пары происходит, но не сопровождается ее диссоциацией, и свободных ионов в растворе не образуется.
Образование ионов в воде и других полярных растворителях называют элекгролитической диссоциациеи, а вещества, образующие ионы, являются электролитами. Следует отметить, что термин «злектролитнческаи диссоцнацнкь не вполне удачен. Под диссоциацией в химии годразумевают распад одной частицы на две или больше частиц. Так понимали образование ионов в растворах злектролнтов в период создании теории злектролитической днссоциации.
На самом же деле никакой диссоциацни при образовании ионов в растворах в большинстве случаев ие происходит. У солей ноны уже существуют в твердом состои. нин, и происходит только нх переход в раствор за счев взаимодействия с растворителем.
Кислоты, содержащле полярную связь Н вЂ” А, при взаимодействии с донорным растворителем Л образуют ионные пары ДН+А-, которые в свою оче. реди могут днссоциировать в полярных средах. При этом в растворах кельзи обнаружить свободных ионов Н+. Если водный раствор НС1 практически содержит только ионы НзО+ и С1-, то такие кислоты, как уксусная СНзСООН или синильная НС)ч, присутствуют в водном растворе в значительной степени в виде неионизованных молекул. Эти кислоты обычно называют слабыми электролитами. Электролиты, присутствующие в раство- 137 ре главным образом в виде соответствующих ионов, называют сильными электролитами. Обычно силу электролита характеризуют степенью диссоциации, показывающей, какая доля от общего числа молекул, введенных в раствор, находится в виде ионов.
$8.5. Полимеры Как в природе, так и в практической деятельности человека, огромное значение имеют вещества, молекулы, которых содержат многие сотни и даже многие тысячи атомов. Такие вещества называют высокомолекулярными соединениями. В принципе можно себе представить очень большие молекулы с замысловатым строением, в которых ни одна часть не повторяет другую. Органический и неорганический химический синтез непрерывно развивается в направлении создания все более сложных молекул с уникальной структурой. Однако на сегодняшний день большие молекулы реально удается получать только соединением между собой большого числа одинаковых или однотипно построенных небольших молекул — мокомеров.
Высокомолекулярные соединения, молекулы которых образованы по такому принципу, называют полимерами. Например„ молекулы капрона, хорошо изнестного как текстильный материал и широко используемого для изготовления различных текстильных изделий, получают из моно- мера капролактама сн,-сн, Нн сн, с-сн -сна Ф о который представляет собой внутренний амид э-аминокапроновой кислоты ХНэ — СНэ — СНэ — СНт — СНт — СНт — СООН или, в сокращенной записи, ХНэ — (СНэ)э — СООН.
При достаточно высокой температуре молекулы, содержащие аминогруппы, в том числе н е-аминокапроновая кислота, могут соединяться по атому С карбонильной группы капролактама с размыканием цикла и образованием новой аминогруппы сн,— сн, НН СНр + Ннт (СНь)ь СООН С вЂ” СНь-СНь От нн,— (сн,),— со — нн — (сн ) — соон Полученная молекула, состоящая иэ двух остатков е-аминокапроновой кислоты (димер), может аналогично присоединить следую- 138 щую молекулу капролактама с образованием тримера и т. д. В конечном итоге в результате многократного повторении этой реакции образуется полимерная молекула ИНт — (СНз) 5 — СΠ— [ХН— — (СНз)з — СО) -з — ХН вЂ” (СНз)з — СООН илн в сокращенной записи Н вЂ” ( — ЯН вЂ” (СНз)з — СΠ— ) — ОН, где п — число остатков мономера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
