Тепловые явления при растворении. Часть 2

Теории растворов

Физическая теория растворов

Берцелиус объяснял растворение взаимодействием разноименно заряженных частиц. Он считал, что положительный заряд металла натрия в его оксиде образуется потому, что он преобладает над отрицательным зарядом кислорода. Если же с кислородом соединяются атомы менее положительной серы, то окисел обнаруживает отрицательный заряд, а образование сернокислого натрия (глауберовой соли) происходит в результате взаимного соединения этих противоположно заряженных окислов. В своей работе «Удельные объемы» он формулирует мысль: «Причину химического сродства мы должны искать в простом преобладании притяжения разнородных атомов и частиц».

Немного теорий в истории химии завладело умами современников с такой быстротой, как теория электролитической диссоциации, возникновение и утверждение которой связано с именами Аррениуса, Вант-Гоффа и Оствальда. Теория электролитической диссоциации опиралась на предположение об отсутствии взаимодействия между растворенным веществом и растворителем. С начала XIX века начались исследования электрических свойств растворов. Было замечено, что растворы многих солей, кислот и оснований проводят электрический ток. Шведский учёный Сванте Аррениус (1859 - 1927) предположил, что вещество в растворе распадается на ионы, которые являются переносчиками зарядов при прохождении через раствор электрического тока.

Как выяснилось позже , недостатком электростатистичкских теорией было то, что учитывались лишь дальнодействующие кулоновские силы. Между тем в растворах, особенно в концентрированных, определяющую роль играют короткодействующие силы химического типа. Ионные (или полярные) вещества гораздо прочнее связываются с молекулами растворителя, чем газы. Вещества легче растворяются в родственных им с химической точки зрения растворителях – правило «подобное в подобном». Если у самого растворителя молекулы неполярные или малополярные, то он будет хорошо растворять вещества с неполярными или малополярными молекулами, хуже – вещества с большей их полярностью и практически не будет растворять вещества, построенные по ионному типу. Следовательно, вещества с одинаковым типом межмолекулярного взаимодействия способны к взаимной растворимости. «Во всяком растворе растворимое вещество находится в химическом соединении с растворяющей жидкостью»,-писал об этом Д. И. Менделеев

Физические свойства растворов похожи по свойствам на свойства газовых смесей. Процесс диффузии сольватов в толщу растворителя сопровождается возникновением силы, сходной с парциальным давлением газа. Пфейфер установил, что осмотическое давление прямо пропорционально концентрации раствора и абсолютной температуре. Эти закономерности аналогичны законам Гей- Люссака и Бойля – Мариотта для газов. Вант- Гофф показал, что к явлениям осмоса применимо объединенное уравнение Менделеева- Клайперона.

πV=nRT, где π – осмотическое давление раствора, V- объем раствора, n- количество молей, R- универсальная газовая постоянная, T- абсолютная температура. Число молей в 1 литре n/V=C, где С - молярная концентрация, тогда

Отсюда закон Вант - Гоффа: осмотическое давление равно тому давлению, которое оказывало бы вещество, находясь в газообразном состоянии при температуре раствора и занимая объем, предоставленный раствору. Пользуясь законом Вант - Гоффа нетрудно рассчитать молекулярную массу растворенного вещества.

Равновесие между жидкостью и паром устанавливается при меньшей концентрации раствора, т. е. при меньшем его давлении. Следовательно, давление насыщенного пара растворителя над раствором, должно быть всегда меньше, чем над чистым растворителем. При этом понижение давления пара будет, тем больше чем больше концентрация растворенного вещества в растворе. Из этого вытекает закон Генри, который можно выразить уравнением:

P = K* C , где P – парциальное давление, K – коэффициент пропорциональности, константа Генри. Закон Генри звучит так: парциальное давление пара растворенного вещества пропорционально его концентрации в растворе.

Вся поверхность чистого растворителя состоит из одних и тех же молекул. Испарение идет со всей поверхности. В растворе часть поверхности занята сольватированными молекулами растворенного вещества, поэтому процесс испарения ограничивается лишь частью поверхности, занятой молекулами растворителя. Если в растворе содержится N1 молей растворенного вещества и N2 молей растворителя, то доля поверхности растворителя, составит

N2 / (N1 + N2)

Отношения N1/ (N1 + N2)обозначим за N0I и N2 / (N1 + N2) за N0 II. Они представляют собой мольные доли нелетучего вещества и растворителя в растворе. Тогда имеем

P=K* N0 II , где P- давление пара растворителя, K- коэффициент пропорциональности. Для чистого растворителя N0 II = 1, давление равно давлению насыщенного пара над ним P0, тогда

P0= K*1= K.

Следовательно, коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара над чистым растворителем. Тогда P= P0* N0 II.

Сумма мольных долей всех компонентов равна 1.

N0I+ N0 II =1, тогда N0 II = 1- N0 I

Если подставим значения ,то (P0- P)/ P0= N01

Согласно закону Рауля относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором равно мольной доле вещества в растворе.

Реальные растворы в подавляющем большинстве не подчиняются законам Вант- Гоффа и Рауля, причем известны как положительные, так и отрицательные отклонения. Но результаты совпадают, если в уравнения ввести поправочный коэффициент-i, названный изотоническим коэффициентом, показывающим во сколько раз данные опыта больше, чем расчетные, тогда уравнения приобретают вид

(P0- P)/ P0= i N01 π= i CRT, где i- изотонический коэффициент.

Оказалось, что для растворов, проводящих электрический ток i>1, т. е. это электролиты.

При изучении неводных и концентрированных водных растворов сильных электролитов выявились факты, которые классическая теория электролитической диссоциации Аррениуса не в состоянии была объяснить. Аномалия сильных электролитов заключалась в увеличении констант диссоциации с возрастанием концентрации электролита. Появились работы, призванные спасти классическую теорию электролитической диссоциации. Важный шаг в этом направлении был сделан в работах П. Дебая и Э. Хюккеля. Основная мысль теории Дебая- Хюккеля: в растворе электролита катионы и анионы взаимно притягиваются. Вблизи какого-либо катиона вследствие электрического притяжения будут чаще и дольше находиться анионы, а не одноименно заряженные катионы. Вокруг каждого иона, таким образом, имеется ионная атмосфера с противоположным знаком. «В растворах, - отмечал П. Дебай, - надо всегда учитывать связь каждого иона со всем его окружением. Учет сил взаимодействия ионов дал возможность найти простой способ определить распределение плотности заряда в ионном облаке, а результаты такого вычисления оказались достаточными, чтобы объяснить аномалию сильных электролитов, как удалось мне показать совместно с Хюккелем». (5,с. 66)

По теории Дебая-Хюккеля свойства растворов сильных электролитов зависят от соотношения двух главных факторов: электростатических сил ионных полей, обусловленных их зарядами, и свойств среды, выражаемых диэлектрической проницаемостью растворителя. Если по теории Аррениуса изменение свойств электролита с разбавлением определялось изменением значения степени диссоциации, то по новой теории определяется ростом взаимодействия между электрическими зарядами ионов. Теория Дебая-Хюккеля учитывала лишь эффект взаимодействия ионов, не принимая во внимание силы, действующие между ионами и молекулами растворителя. Это было связано с тем, что не существовало каких-либо ясных представлений о характере взаимодействия между ионами и молекулами растворителя.

Сам Д. И. Менделеев, правильно описывая общую физическую картину процесса растворения, отвергал попытки истолкования химических явлений с точки зрения представлений об электрической природе химических взаимодействий атомов. Он рассматривал это как возврат к электрохимической теории Берцелиуса, против которой решительно выступал в молодости. В предисловии к 7 изданию «Основ химии» он писал: «Возврат к электрохимизму, столь явный у последователей гипотезы об «электролитической диссоциации», и признание распада атомов на «электроны» на мой взгляд, только усложняет, и ничуть не выясняет дело». Ученый здесь вступал в противоречие с собственными великими открытиями.

Современные взгляды на теорию растворов

Под влиянием работ Аррениуса, Вант-Гоффа и Оствальда химики были увлечены исследованием водных разбавленных растворов, что привело к одностороннему развитию учения. При этом стали выясняться отклонения от физических теорий. Данные, полученные при изучении неводных растворов, позволяли найти новые закономерности, которые исправляли и дополняли теорию электролитической диссоциации. О взаимосвязи физических и химических явлений при растворении писал и Менделеев: "Образование растворов может рассматриваться с двух сторон: физической и химической, и в растворах виднее, чем где-либо, насколько эти стороны естествознания сближены между собою".

Изучение неводных растворов перебросило мост между химической теорией Менделеева и теорией электролитической диссоциации Аррениуса. В 1917 году П. И. Вальден писал : «Нынче произошла научная амальгамация химической и физической теории растворов; одна без другой не исчерпывает всех явлений многосторонней действительности, одна является дополнением другой». Русский учёный, последователь взглядов Д. И. Менделеева, И. А. Каблуков (1857 - 1942) соединил теорию электролитической диссоциации Аррениуса с гидратной теорией Менделеева.

Он выдвинул предположение о гидратации образующихся в растворе ионов, что и было доказано экспериментально. Ученые углубляли и уточняли теорию растворов. Но не могли объяснить, какие взаимодействия приводят к образованию гидратированных ионов. Это стало возможным тогда, когда была развита теория, объясняющая сущность химической связи. Большое значение для развития теории растворов приобрели исследования структуры воды и растворов электролитов.

Модельная схема 2- структура воды

Для изучения строения растворов электролитов с успехом был использован ренгеноструктурный анализ. В результате возникли новые представления о структуре жидкостей, о координационных числах и влиянии ионов на изменение этой структуры, о молекулярных квазикристаллических образованиях в растворах. Было показано, что в растворах существует определенное структурно упорядочное состояние, нет вполне свободного движения молекул. Для этого состояния молекул Г. Стюарт ввел термин “сиботактическое состояние”. Оно обусловлено силовым полем молекулы, электростатическим притяжением диполей.

При растворении свойства веществ существенно меняются. Атомы и молекулы на поверхности кристалла имеют нескомпенсированное сильное поле, направленное перпендикулярно поверхности, т. к. в этом направлении нет взаимодействия с другими частицами. И эта поверхность стремиться скомпенсировать свое поле, притянув молекулы жидкости (ион-дипольное взаимодействие). Процесс поглощения поверхностью частиц соприкасающейся с ней жидкой средой называют адсорбцией.

К положительно заряженным ионам молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами, а к отрицательно заряженным ионам- положительными. Но и молекулы воды притягивают к себе ионы. Притянутые молекулы воды испытывают толчки со стороны непритянутых. , находящихся в тепловом движении. Толчков, тепловых колебаний ионов достаточно, чтобы ионы отделялись от кристалла и перешли в раствор. Вслед за первым слоем ионов в раствор переходит следующий. Идет постепенное растворение кристалла. Ионы в растворе остаются связанными с молекулами воды, образуют гидраты ионов. Возникает постоянный обмен между адсорбированными на поверхности раздела молекулами и жидкой фазой, что связано с тепловым движением молекул и различным запасом их энергии в этих фазах.

Модельная схема 3- растворение хлорида натрия

Слой частиц воды, непосредственно присоединенных к центральной частице растворенного вещества, образует вокруг нее гидратную оболочку. Доказательством этого, как отмечал еще Менделеев, служит факт, что многие вещества выделяются из водных растворов в виде кристаллов, содержащих кристаллизованную воду – гидратов; на каждую молекулу растворенного вещества приходится определенное число молекул воды. Обычно гидраты – нестойкие соединения, они часто разлагаются уже при выпаривании растворов. Но некоторые гидраты прочны, при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов. Вещества, в состав которых входят молекулы воды называются кристаллогидратами. Прочность связи между гидратами и кристаллизованной водой различна. Наименьшее число молекул растворителя, удерживаемое около частицы растворенного вещества называется координатным числом гидратации. Координатное число определить трудно, оно зависит от природы растворенного вещества и растворителя.

Модельная схема 4- Структура кристаллогидрата

Состав кристаллогидратов принято изображать формулами, показывающими, какое количество кристаллизованной воды содержит кристаллогидрат. Гидратированные ионы содержат как постоянное, так и переменное количество молекул воды. Это зависит от концентрации и других условий. Гидрат постоянного состава образует ион водорода H+, он называется ионом гидроксония.

Гидратация – основная причина диссоциации. Она отчасти затрудняет обратное соединение (ассоциацию). Под гидратацией обычно понимают совокупность энергетических процессов и структурных изменений, происходящих в растворе при взаимодействии частиц растворенного вещества с водой. В растворах возникает структурно упорядочное состояние, обусловленное силовым полем молекулы, электростатическим притяжением.

Предположение о существовании в водных растворах гидратов было высказано и обосновано в 80-х годах прошлого столетия Менделеевым, который считал, что процесс растворения является не только физическим, но и химическим процессом: «Если бы растворение состояло в одном изменении физического состояния, то при газах развивалось бы, а при растворении твердых тел поглощалось бы столько тепла, сколько отвечает перемене состояния, в действительности же при растворении газа всегда отделяется большее количество тепла, а для твердых тел поглощается менее тепла, что зависит от того, что при нем совершается акт химического соединения, сопровождающийся отделением теплоты».

Химические процессы при растворении

Тепловые явления при растворении

Большое значение Менделеев придавал исследованию тепловых эффектов при растворении. Он выдвинул гипотезу о том, что между частицами растворённого вещества и растворителя возникает химическое взаимодействие. А это приводит к выделению теплоты. «Изменение силы сродства от действия теплоты растворяющего вещества и других причин,- пишет Менделеев- изъясняется изменением расстояния атомов, причем очевидно изменяется и сила притяжения». Позднейшие исследования доказали правоту идеи Менделеева.

Начиная с 1920 года, появляются работы М. Борна, К. Фаянса, в которых рассматриваются вопросы, связанные с процессом растворения сильных электролитов и определением энергии гидратации различных ионов. К этому времени было установлено: ионное строение кристаллов электролитов, большое значение диэлектрических свойств среды, взаимодействие иона с диполями воды, в основном определяемое зарядами и размерами ионов. В связи с этим многие исследования были посвящены изучению влияния радиусов и заряда иона на значение гидратации ионов. Вначале было обращено внимание на изучение зависимости энергии гидратации иона от его радиуса. Явления растворимости, ионизации и образования комплексов представлялись так: при соприкосновении воды с молекулой соли или кристаллом оба иона соли действуют на воду. В согласии с электростатистическими взглядами В. Косселя это действие вообще будет тем сильнее, чем больше заряд ионов и чем меньше их радиус; третьим фактором является структура ионов. В результате действия ионов на воду она включается в кристалл с образованием твердого гидрата или же образуется раствор, в котором ионы подвижны, т. е необходима энергия, чтобы отодвинуть ионы друг от друга.

Выясняя условия растворимости, К. Фаянс показал, что источником энергии для процесса диссоциации являются теплоты гидратации отдельных ионов. Согласно К. Фаянсу, растворимость электролита тем больше, чем значительнее разности теплот гидратации его обоих ионов. К. Фаянс писал: « Процесс растворения солей в воде мы можем себе представить следующим образом: сначала твердая решетка с затратой энергии решетки расщепляется на свободные газообразные ионы, которые затем растворяются в воде с выделением теплоты гидратации. Теплота растворения L представляет собой, таким образом, разность между суммой теплот гидратации аниона WA и катиона WK и энергией решетки». L= W A+ WK – U AK

В 1920 году М. Борн при вычислении теплот гидратации как разности энергии поля вокруг иона в воде и в вакууме принимал ион как заряженный шар, а растворитель как непрерывную среду. Он допускал, что вода ведет себя как непрерывный и несжимаемый диэлектрик, и его свойства не зависят от силы поля иона. М. Борн считал, что при гидратации происходит большее или меньшее уплотнение молекул воды вокруг иона благодаря существованию электрического поля иона. Он брал для вычислений значения радиусов ионов, найденные из кристаллических решеток. Данные, полученные М. Борном, отличались от найденных экспериментально.

Процесс образования растворов самопроизволен. Любое чистое вещество самопроизвольно загрязняется за счёт поглощения примесей из окружающей среды. При этом энтропия системы повышается. Вместе с тем разделение образованного раствора на чистые компоненты требует затраты энергии. При

ΔН>O ΔG=ΔH – TΔS может стать отрицательной лишь тогда, когда ТΔS>ΔH. Главной причиной самопроизвольности процессов растворения является увеличение энтропии, т. е. степени беспорядка системы при переходе от состояния чистых веществ к состоянию раствора. Вещества, находящиеся в чистом состоянии, самопроизвольно стремятся перейти в состоянии раствора. Такой переход совершается только до определённых пределов, т. е одно вещество способно растворять другое в ограниченных количествах.

С позиций сольватной теории объясняются стадии растворения, главная из которых- адбсорция молекул растворителя на поверхности вещества, сопровождающаяся образованием сольватов, диффундирующих в раствор. Для этого необходимо: преодолеть силу взаимного притяжения молекул растворителя, на это надо затратить энергию Е1, равную теплоте испарения растворителя; Е2- на разрушение кристаллической решетки. Они компенсируются энергией, выделяющейся при сольватации- Е0, запас энергии свободных веществ и растворителя больше, чем в сольвате. Растворение сопровождается энергетическим эффектом, равным: Е= Е0 -(Е1 +Е2)

Если Е0›(Е1 +Е2), процесс экзотермический, если Е0‹(Е1 +Е2), то эндотермический.

Силы взаимодействия растворяемого вещества и растворителя невелики, состав сольватов непостоянен и зависит от условий. Растворение большинства твердых веществ в жидкостях сопровождается обычно поглощением энергии, что объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллической решетки твердого вещества. В этом случае растворимость твердых веществ увеличивается с ростом температуры. Если растворение сопровождается выделением энергии, то растворимость с ростом температуры понижается. Такое явление наблюдается при растворении в воде щелочей, солей лития, магния, алюминия.

Изменение энтальпии при переходе твердого, жидкого или газообразного вещества в раствор называется теплотой или энтальпией растворения.

Эндотермические реакции характеризуются положительным изменением энтальпии, а экзотермические – отрицательным. Энтальпией растворения называют изменение энтальпии при растворении 1 моль вещества в некотором количестве чистого растворителя. Процесс растворения в термохимии обычно выражают термохимическим уравнением. Теплота растворения зависит от концентрации полученного раствора и от температуры.

Основные положения учения Менделеева о растворах можно охарактеризовать, связав их с современными теориями:

- Возникновение и существование раствора невозможно без взаимодействия между всеми частицами, как его образующими, так и являющимися результатом сопровождающих растворение химических процессов. В соответствии с современными взглядами Менделеев допускает возможность всех видов химического взаимодействия при растворении, даже образование более или менее устойчивых соединений, реакций замещения или двойного разложения, реакций разложения под влиянием растворителя и др.

- Раствор является динамической системой, в которой при данной температуре соединения находятся в подвижном равновесии с продуктами диссоциации в соответствии с законом действия масс. При разных концентрациях могут доминировать различные равновесия, поэтому невозможно описать все явления, происходящие при растворении одного вещества простым уравнением.

Физическая химия исследует вопросы превращения тепловой, механической и электрической форм энергии в химическую. После Менделеева физическая химия была представлена школами Н. Н. Бекетова, Н. С. Курнакова, Л. В. Писаржевского. В настоящее время ее полного расцвета достигли школы советских физико- химиков Н. Н. Семенова, А. Н. Фрумкина, А. Н. Теренина, П. А. Ребиндера и др.

Тепловые явления при растворении солей

Д. И. Менделеев особое значение придавал эксперименту. Ученый делился со своими студентами в предисловии к своему руководству «Основы химии»: «Лишь связь идей с фактами и наблюдений с направлением мыслей, по моему мнению, может действовать в надлежащую сторону, иначе действительность ускользнет, и на место ее легко встанет фикция чего мне всеми силами хотелось избежать в своем изложении» А в своей юношеской работе «Удельные объемы» Менделеев писал: «Без фактической основы, руководствуясь каким- либо соображением, мы не можем и не должны что- либо вводить в науку».

Изучив имеющуюся литературу, мы решили изучить растворение солей различных металлов и солей аммония (они близки по строению к солям калия). В процессе исследования приготовили 0,2М и 0,1М растворы некоторых солей. Массы реактивов в школе ограничены, поэтому мы готовили растворы объемом 50 мл. Для приготовления растворов провели расчеты. Например для хлорида магния шестиводного:

0,2М 0,1М

M(MgCl2)= 95 г/моль

M(6H2O)= 108 г/моль

Mкр =203 г/моль mкр=Mкр*С*50/1000=203*0,2/20=2. 03 mкр=Mкр*С*50/1000=203*0,1/20=1. 02

mс=Mс*С*50/1000=95*0,2/20= 0,95 mс=Mс*С*50/1000=95*0,1/20= 0,48

m H2O= 50-(mкр-mс)=50-(2,03-0,95)=48,92 m H2O= 50-(mкр-mс)=50-(1,02-0,48)=48,46

V H2O=m/ρ= 48,92г/1г/мл=48,92мл V H2O=m/ρ= 48,46г/1г/мл=48,46мл

В связи с тем, что в школе нет приборов достаточной точности, полученные данные округлили и внесли в таблицу.

В первую очередь мы рассмотрели тепловые эффекты при растворении сульфатов, имеющихся в школе. При растворении всех сульфатов в обоих случаях происходило повышение температуры, т. е. это экзотермические процессы при данных концентрациях и данной температуре. Таким образом мы доказали, что растворение- химическое явление, даже если видимых эффектов не наблюдаем. Для сравнения с сильными электролитами мы провели смешивание 0,1М сульфата кальция с 50 мл воды. Вещество не растворилось, тепловой эффект не наблюдался, т. е в данном случае химический процесс отсутствует.

При концентрации 0,2 моль заметили , что при растворении кристаллогидратов Fe, Cu, Zn изменение температуры одинаковое. Это двухвалентные металлы побочных подгрупп. Полученные данные мы сравнили с температурами плавления металлов.

Температуры плавления этих металлов отличаются не очень сильно.

Внимание на себя обращает кристаллогидрат алюминия, повышение температуры при обеих концентрациях довольно высокое. Алюминий- единственный элемент 3-ей группы и его заряд равен +3. Здесь мы видим подтверждение выводов В. Косселя о влиянии на процессы растворения зарядов, структур ионов.

На основании проведённых опытов мы сделали вывод, что растворение большинства кристаллогидратов хлоридов, при приготовлении растворов 0,2М, 0,1М концентрации, процесс экзотермический, так как при растворении температура всех растворов повысилась. При растворении хлоридов NH4+, Na+ температура не изменилась, возможно, тепловые эффекты разрушения кристаллической решетки и гидратации ионов примерно равны. Здесь мы опять столкнулись с особенностями растворения соли алюминия. При его растворении мы наблюдали появление газа, т. е. в этом случае происходят не только реакции ионов с водой, но и другие процессы. Мы проводили опыт в вытяжном шкафу. Наблюдали выделение газа с неприятным запахом, сильное разогревание, вода как бы вскипала. В этом случае происходит реакция:

AlCl3+ 2H2O=2HCl+ Al(OH) 2Cl

На основании результатов проведённых опытов мы видим, что растворение большинства нитратов, процесс эндотермический, так как при растворении почти всех растворов температура понизилась. Исключением опять явилась соль алюминия, при приготовлении 0,1М раствора произошло повышение температуры. Как указывалось, в теоретической части, действие иона тем сильнее, чем больше заряд ионов и чем меньше его радиус. Возможно, что особенности тепловых эффектов связаны со строением иона алюминия. Нельзя не учитывать и разные концентрации растворов. Если рассмотреть изменение температуры при 0,1М концентрации у первых трех веществ, то видим, что они одинаковы, а структура ионов, входящих в эти соли сходна. Это является подтверждением вывода В. Косселя о влиянии на процессы растворения структур ионов. Для сравнения хотим привести значения температур плавления металлов. На графике та же тенденция.

Разные же значения при 0,2 М концентрации могут быть связаны с различными размерами ионов, вследствие чего ионы могут координировать разное число молекул воды.

При растворении большинства солей, кристаллогидратов мы наблюдали уменьшение объема растворов, что свидетельствует о понижении энтропии системы, о возникновении более упорядоченного состояния системы. Это возможно в том случае, если образуются какие- то соединения. Скорее всего, это гидраты ионов. А аномалии результатов некоторых соединений могут быть связаны как с особенностями растворения данных веществ, так и с ошибками, допущенными в процессе проведения опытов. С повышением концентрации раствора должно повышаться осмотическое давление при прочих неизменных условиях по уравнению π= i CRT, что должно бы привести к повышению давления и уменьшению объема по сравнению с соответствующим 0,1М, раствором что наблюдаем у большинства сульфатов и многих нитратов, но у хлоридов тенденция в большинстве случаев обратная.

Таким образом, на основе экспериментов, мы нашли подтверждение многим современным теоретическим положениям. Но не все опыты подтверждают их. Мы сделали вывод, что растворение очень сложный, динамический неоднозначный процесс. Конечно, не исключены, ошибки в ходе проведения экспериментов.

Крупнейшим вкладом в химическую науку, точнее в физическую химию, стала разработка Д. И. Менделеевым оригинального учения о растворах. Предмет, составивший его имя, который он называл пониманием растворов как ассоциаций. Сущность учения была изложена в фундаментальной монографии "Исследование водных растворов по удельному весу", опубликованной в 1887 году. "Квинтэссенция" менделеевской теории растворов заключалась в констатации взаимодействия растворителя и растворенного вещества, причем природа растворов определялась одновременно протекающими процессами ассоциации и диссоциации. Менделеев рассматривал растворы как "жидкие, непрочные неопределенные химические соединения в состоянии диссоциации".

Называя главный предмет своих занятий «физической химией» и провозглашая наступление союза 2-х наук во имя изобличения тайны химического сродства, Менделеев выдвинул вслед за Ломоносовым, широкую новую программу науки. Эта новая наука сумела «остановить мгновение»- она расчленила, разъединила химическое превращение, успела рассмотреть его промежуточные стадии, не различимые ранее».

Оправдалось менделеевское предсказание «впереди химия растворов произведет свое влияние не только на понимание сплавов, изоморфов и тому подобных так называемых неопределенных соединений, но и на понимание обычнейших явлений химической природы »

Кристаллизация из растворов, или перекристаллизация, широко применяется для очистки веществ, растворимых в воде или каких – либо других растворителях. В настоящее время существуют методы определения молярных масс растворенных веществ по повышению температуры кипения раствора- эбуллиоскопия, по понижению температуры замерзания- криоскопия.

Д. И. Менделеев призывал: «на дно опираясь пересягать пропасти неизвестного, достигать твердых берегов действительности и охватывать весь видимый мир, цепляясь лишь за хорошо обследованные береговые устои». Эти слова предпослал «Основам химии»- Менделеев , уже профессор.

На основе проведенных испытаний мы убедились, что растворение- физико- химический процесс. При этом наблюдаются изменение температуры растворов, т. е. тепловые эффекты, изменение объемов растворов, что указывает на образование или разрушение каких- то ассоциатов в растворах.

При растворении свойства веществ изменяются. Ионные вещества гораздо прочнее связываются с молекулами растворителя, чем газы. Вещества легче растворяются в родственных им с химической точки зрения растворителях– электролиты в полярных растворителях, например в воде.

На процессы растворения оказывает влияние и природа вещества: в опытах мы проследили, растворение большинства хлоридов и сульфатов, имеющихся в нашей лаборатории- процесс экзотермический, а нитратов- эндотермический. Особый интерес вызвало растворение солей алюминия. В дальнейшем, мы хотим продолжить исследование растворов, найти объяснение особенностям, выявленным в ходе экспериментов. Кристаллогидраты можно отнести к комплексным соединениям. В последующем мы думаем подробнее изучить и их особенности, как комплексных соединений.

Мы провели исследование растворов 0,2М и 0,1М концентрации при комнатной температуре и обычном давлении, естественно на основе только этих опытов невозможно изучить все особенности растворения даже солей- электролитов. К тому же школьный инструментарий не позволяет достаточно точно измерять массы, температуры, объемы веществ и растворов. Могло сказаться и недостаточное владение навыками проведения экспериментов. Считаем, что эксперименты нужно бы продолжить и для того, чтобы убедиться в их достоверности, можно было бы и провести повторно.

Несмотря на то, что многие ученые работали в области теории растворов, не существует простых и ясных ответов, формул для предсказания поведения веществ при растворении. В ходе экспериментальной работы мы убедились в том, что растворение очень сложный и неоднозначный процесс. Его нельзя описать с помощью одного уравнения. При этом могут наблюдаться разные типы взаимодействий. Кроме того, явление растворения- динамический процесс и зависит от внешних условий. Еще Д. И. Менделеев говорил о том, что только в весьма немногих случаях мы можем решить вопрос, как сгруппированы отдельные более отдаленные части в однородной смеси 2-х сложных соединений: «Решение возможно именно только там, где происходит изменение цвета или какого- нибудь другого несомненнейших признаков. Так, например, мы знаем, что безводный хлорид кобальта синего цвета, а кристаллизующееся соединение с водой- красного, безводный CoCl2 растворяется в алкоголе, образуя раствор синего цвета, а в воде- красного, при прибавлении алкоголя к густому водному раствору CoCl2 при больших количествах алкоголя даже при обыкновенной температуре, последний синеет. Раствор CoCl2 в водном спирте на холоде красного, а при нагревании синего цвета, поэтому должно принимать, что в этом растворе на холоде содержится гидрат хлорида кобальта (соединение CoCl2 с водой в определенной пропорции), а в тепле безводный хлорид кобальта и т. д. »

В настоящее время исследование неопределенных соединений, растворов ведется с использованием достижений информационных технологий. Моделирование кристаллических структур и их свойств с помощью методов минимизации энергии межатомного взаимодействия становится уже довольно рутинным благодаря разработке программного обеспечения и использованию мощной вычислительной техники, хотя в нашей стране этими методами владеют еще немногие группы исследователей. Эффективно используется также теоретическое уточнение структур в тех случаях, когда эксперимент не обеспечивает достаточно точной информации, например для плохо кристаллизующихся или нестабильных при обычных условиях веществ. Наиболее заманчивые возможности открываются при предсказании структуры и свойств еще неизвестных, но прогнозируемых веществ с необычными, особенно важными для технологии свойствами. В области наук о Земле предсказательный потенциал методов компьютерного моделирования играет большую роль при воссоздании реалистичной картины минерального строения и физических свойств глубинных недр планет, которые не могут наблюдаться прямыми методами. В конечном итоге сочетание теоретического прогноза и целенаправленного эксперимента должно обеспечить наиболее быстрый и решающий успех в этой области знания.