Разтворимост и междумолекулни взаимодействия

След като вече знаеш какво е разтвор, нека да помислим за това какво е нужно, за да бъде една молекула разтворима в разтвор или в разтворител. Да кажем че имам сол. Тук ще направя малко отклонение, защото в химията ще чуваш думата "сол" постоянно. Нека да го запиша: сол. В ежедневието възприемаме думата "сол" като трапезна сол. Тя придава на храната солен вкус (натриев хлорид). Натриев хлорид. Натриевият хлорид е сол и от готварска, и от химична гледна точка, въпреки че химията въобще не я интересува как солта овкусява храната ти. От химична гледна точка се нарича "сол", защото е неутрално съединение, изградено от йони. Солта се образува като вземем, на първо място, натрий. Натрият иска да отдели един от валентните си електрони. Хлорът пък много иска да приеме същия този електрон. Така той се превръща в отрицателен йон, а натрият – в положителен йон. Заедно те се привличат много силно, защото тази частица вече е положителна, а тази – отрицателна, след като натрият ѝ е отнел един електрон. Представи си, че домът ти е прекалено тесен и трябва да подариш кучето си на човек, който разполага с повече място, но пък за сметка на това трябва да стоиш в дома на този човек постоянно, защото искаш да си с кучето си. Въобще не знам дали аналогията беше подходяща. Но мисля, че схващаш идеята. Сол наричаме всяко едно неутрално съединение. Други често срещани соли са например калиев хлорид, калциев бромид – мога да посоча още много примери. Всички те са соли. Нека помислим какво се случва, когато се опиташ да разтвориш тези соли във вода. Знаем какво прави водата, вода в течно състояние. Нека да нарисувам вода в течно състояние. Това е кислородният атом, с два водородни, които един вид "висят" от кислорода, ще го начертая така. Ще нарисувам няколко. И, разбира се, още един кислороден атом тук. Може би тук водородните атоми са ориентирани така, защото водородните краища са привлечени чрез водородни връзки (споменавали сме го) за кислородните краища, защото имат непълен отрицателен заряд тук, а кислородът – непълен положителен заряд тук. Това са водородните връзки, за които сме говорили много. Може да нарисувам още един кислород тук, заедно с водородните му атоми. Има водородни връзки тук. Още един кислород тук и т.н. – можеш да забележиш структурата, която се формира. Ако водата беше в твърдо състояние, структурата щеше да е по-стабилна и молекулите щяха да вибрират на място Когато водата е в течно състояние, молекулите се движат наоколо. Движат се една спрямо друга, но същевременно остават много близо една до друга. Всъщност течното състояние на водата е и най-компактизираното такова Ако имаш нещо подобно обаче – тези молекули се движат наоколо, тази се насочва насам, онази в другата посока – и искаш да разтвориш сол, например натриев хлорид. Натриевият хлорид всъщност е доста голяма молекула. Ако погледнеш в периодичната система, ще видиш, че кислородът е елемент от втори период. Водородният атом е много малък. Знаем, че когато се формира водородна връзка с кислороден атом, реално наблюдаваме протон, защото всички електрони предпочитат да са около кислородния атом, докато например натриевият и хлорният атоми са значително по-големи. Няма да цитирам точните молекулни размери, но за преговор – кой атом е по-голям? Знаем, че атомният радиус намалява от ляво надясно в периодичната система. По тази логика, натрият е доста голям атом, докато хлорът е значително по-малък, но и двата са по-големи от кислородния атом и много по-големи от водородния. Нека го нарисувам. Натрият е положително зареден. Доста е голям, да речем че изглежда по този начин. Тук натрият е положително зареден. Хлорния атом ще нарисувам в лилаво. И той е доста голям на размери. Когато сложим това съединение във вода, то дисоциира. Натрият и хлорът са в твърдо състояние и затова са много плътно прилепени един до друг. Когато поставиш натриевия хлорид във вода, положителните катиони се привличат от отрицателния непълен заряд на кислорода от водната молекула, а отрицателните аниони са привлечени от непълния положителен заряд на водорода. За да разтворим обаче този натриев йон във водата, първо той трябва да се намести между молекулите ѝ. Отначало нарисувах водата в течно състояние, но ако беше в твърдо и имахме тази структура, щеше да е изключително трудно, дори почти невъзможно да напъхаме огромните натриеви йони между молекулите на, да речем, твърд лед. Дори и ако става въпрос за студена вода, тези връзки пак биха били доста здрави, а молекулите почти незабележимо ще се движат една спрямо друга, защото няма достатъчно кинетична енергия. Колкото по-топла е водата, толкова по-добре – топлата вода има повече кинетична енергия, което освобождава повече място за този натриев йон, който иска да се намести в стабилна конфигурация. Тази стабилна конфигурация би изглеждала по този начин. Натрият е положително зареден и ще бъде привлечен към отрицателния край на водната молекула, тоест кислородния край. Двата водородни атома ще сочат в обратната посока. Разбира се, хлорният атом ще бъде много привлечен към водородните атоми. Хлорният атом ще иска да бъде в ето тази позиция. За да разтворим колкото се може повече натриев хлорид във водата, тя трябва да е с колкото се може по-висока температура. Това позволява на тези връзки да отслабнат и на тези огромни по размер атоми да се напъхат между водните молекули. Най-общо, ако изследваме разтворимост на вещество във вода, особено на твърдо вещество като натриев хлорид, тогава колкото по-висока е температурата на разтвора, толкова повече от твърдото вещество ще може да бъде разтворено в разтворителя – ще увеличим разтворимостта. Накратко, покачвайки температурата, увеличаваме разтворимостта. Вземи например обикновена трапезна сол, с която лесно се експериментира. Нито твърде опасна, нито твърде скъпа, солта е относително евтина. Ако продължително я сипваш в чаша с вода, в определен момент ще се разтвори. Можеш дори да разклатиш чашата. Помисли за случващото се на молекулно ниво – защо разклащането или разбъркването би помогнало на разтворимостта? Ако това е чашата с вода, солта ще продължи да се разтваря до някакъв момент, когато ще се забелязват кристалчета сол на дъното на чашата. В този момент водата е наситена със сол при съответната температура. Ако веднага щом забележиш насищане, загрееш наситения разтвор в микровълнова фурна, ще видиш, че дори тези кристали ще се разтворят във водата, защото допълнителната кинетична енергия от загряването прави по-вероятно пре-конфигурирането на водните молекули и освобождава място за йоните на солта. Малко отклонение – тези соли са просто неутрални съединения, направени от йони, които взаимно се "изключват". Когато ги поставиш във вода, тези съединения в твърдото си състояние обикновено не провеждат електричество. Въпреки че са заредени, те са много близо прилепени едно до друго, така че да няма много пространство за движение на заряди. Но веднъж дисоциирани или разтворени във вода, във водата се появяват "плаващи" заряди, а това състояние провежда електричество, така че разтворът се превръща в проводник. Просто правило е, че ако имаш твърдо вещество в течен разтворител, намаляването на температурата понижава разтворимостта, защото е по-трудно да се напъхат молекулите. А увеличаването на температурата увеличава разтворимостта. Какво правим с газове? Представи си, че правиш газирана вода – разтваряш въглероден диоксид във вода. Начинът за справяне със ситуацията е същият, като със солите – йонни съединения. Те се привличаха от различни полярни краища на водната молекула. Но по-голямата част от газовете нямат здрави сили на привличане. Затова са газове, особено при стайна температура. Те обичат да са свободни. Газовете имат кинетична енергия, но по-важното е, че връзките между тях, например при идеални газове, са т.нар. дисперсионни сили. Газовете имат много слаби връзки и затова при същите температура и налягане водата ще бъде в течно състояние, а много от тези газове – в газообразно. Молекулите отскачат една от друга, защото не искат да се докосват. Когато поставиш газ в течност... Тук ще нарисувам няколко водни молекули. Искаш да разтвориш например въглероден диоксид. Игнорирай рисунките горе. Ако искаш да разтвориш въглероден диоксид във вода... Това тук са молекули въглероден диоксид. Рисувам цялата молекула като кръг. Какво искат да направят тези молекули? Естественото състояние е газообразно, а ако този газ е под стандартно налягане, той наистина иска да избяга от водата, но не може да го направи лесно, защото е заобиколен от водни молекули. Тази молекула газ може да иска да избяга, но е заобиколена от водни молекули. Какво ще ѝ помогне да избяга? Ако повишиш средната кинетична енергия на системата, ще позволиш на всички тези молекули да се движат по-бързо, особено ако молекулите на въглероден диоксид имаха повече кинетична енергия, тогава, може би, щяха да успеят да се измъкнат. Знаеш от личен опит с бутилки Кока-Кола, че можеш да разклатиш цялата система – така всичко започва да се движи достатъчно, че молекулите въглероден диоксид да могат да се измъкнат. Когато разтваряш газ в течен разтворител, когато разтворимото вещество е газ, покачването на температурата има обратен ефект. Когато температурата се повишава, разтворимостта се понижава, защото тези молекули искат да се измъкнат. Искат да се освободят. Искат да са далеч от други молекули и искат да "подскачат" в свободното пространство. Накратко, всичко, което позволява на системата да "подскача" повече, ще накара разтворимостта да се понижи. По същия начин, ако температурата се понижи, разтворимостта се покачва. Друг фактор, не толкова значим при твърди разтворими вещества, но когато говорим за течно вещество – нека го нарисувам отново. Това са молекулите въглероден диоксид и няколко водни молекули, всичките са с еднакви размери, в които е разтворен въглеродния диоксид. Схващаш идеята. Налягането също е много значим фактор. Вече споменах, че естественото състояние на тези молекули е да се реят из пространството. Искат да се измъкнат. Искат по някакъв начин да "скочат" извън водата. Но ако налягането тук е много високо – ако атмосферата съдържа тонове молекули, упражняващи много силен натиск върху повърхността на разтвора, то ще бъде много по-трудно за каквото и да е да избяга от разтвора. Ето защо, когато налягането се покачва, покачвайки налягането, разтворимостта на газа също се покачва. Това важи за газове. Интересното за запомняне е, че по отношение на разтворимост, твърдите вещества са обратни на газовете. Нагряването е добро за разтворимост на твърди вещества Казахме, че когато поставиш сол или захар във вода, е добре да повишиш температурата. Така ще можеш да сложиш повече вещество. От друга страна, с газовете е обратното. Искаме по-ниски температури, за да разтворим повече газ, или по-високо налягане, за да му попречим – както аз си го представям – да избяга от разтвора. Надявам се да ти е било полезно.