Что такое гидраты и кристаллогидраты
Химия. 11 класс
§ 23. Растворение как физико-химический процесс
Вы уже знакомы со смесями веществ — растворами и механическими смесями, их классификацией ( рис. 50 ). Напомним, что механические смеси образуются в результате простого перемешивания веществ без образования ими химической связи или других химических изменений. Каждый компонент такой механической (гетерогенной) смеси сохраняет свой состав и свойства.
Также вам уже известны растворы — гомогенные устойчивые системы переменного состава, состоящие из нескольких компонентов. Различают жидкие (водные и неводные), газообразные и твёрдые растворы. Некоторые их примеры приведены на рисунке 50. Мы будем рассматривать преимущественно водные растворы.
В отличие от механических смесей растворы однородны, то есть отсутствуют границы раздела фаз. Кроме того, растворы устойчивы, так как при неизменных условиях (концентрация растворённого вещества, температура, давление) они бесконечно долго остаются гомогенными системами.
Физико-химический процесс, при котором происходит взаимодействие частиц растворяемого вещества и растворителя с образованием гомогенной устойчивой системы переменного состава, называют растворением.
Химическая сторона процесса растворения заключается в разрушении связей между частицами растворяемого вещества и их взаимодействии с молекулами растворителя. При растворении протекают физические процессы взаимной диффузии частиц растворяемого вещества и молекул воды.
Химия. 11 класс
§ 23. Растворение как физико-химический процесс
Вы уже знакомы со смесями веществ — растворами и механическими смесями, их классификацией ( рис. 50 ). Напомним, что механические смеси образуются в результате простого перемешивания веществ без образования ими химической связи или других химических изменений. Каждый компонент такой механической (гетерогенной) смеси сохраняет свой состав и свойства.
Также вам уже известны растворы — гомогенные устойчивые системы переменного состава, состоящие из нескольких компонентов. Различают жидкие (водные и неводные), газообразные и твёрдые растворы. Некоторые их примеры приведены на рисунке 50. Мы будем рассматривать преимущественно водные растворы.
В отличие от механических смесей растворы однородны, то есть отсутствуют границы раздела фаз. Кроме того, растворы устойчивы, так как при неизменных условиях (концентрация растворённого вещества, температура, давление) они бесконечно долго остаются гомогенными системами.
Физико-химический процесс, при котором происходит взаимодействие частиц растворяемого вещества и растворителя с образованием гомогенной устойчивой системы переменного состава, называют растворением.
Химическая сторона процесса растворения заключается в разрушении связей между частицами растворяемого вещества и их взаимодействии с молекулами растворителя. При растворении протекают физические процессы взаимной диффузии частиц растворяемого вещества и молекул воды.
75. Гидраты и кристаллогидраты.
Большинство веществ, находящихся в кристаллическом состоянии, растворяются в жидкостях с поглощением теплоты. Однако при растворении в воде гидроксида натрия, карбоната калия, безводного сульфата меди и многих других веществ происходит заметное повышение температуры. Выделяется теплота также при растворении в воде некоторых жидкостей и всех газов.
Количество теплоты, поглощающейся (или выделяющейся) при растворении одного моля вещества, называется теплотой растворения этого вещества.
Процесс растворения сопровождается значительным возрастанием энтропии системы, так как в результате равномерного распределения частиц одного вещества в другом резко увеличивается число микросостояний системы. Поэтому, несмотря на эндотермичность растворения большинства кристаллов, изменение энергии Гиббса системы при растворении отрицательно и процесс протекает самопроизвольно.
При растворении кристаллов происходит их разрушение, что требует затраты энергии. Поэтому растворение должно было бы сопровождаться поглощением теплоты. Если же наблюдается обратный эффект, то это показывает, что одновременно с растворением происходит какое-то взаимодействие между растворителем и растворенным веществом, при котором выделяется в виде теплоты больше энергии, чем ее расходуется на разрушение кристаллической решетки.
Действительно, в настоящее время установлено, что при растворении многих веществ их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solvere — растворять); этот процесс называется сольватацией.
В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а самый процесс их образования — гидратацией.
В зависимости от природы растворенного вещества, сольваты могут образовываться различными путями. Так, при растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения. В этом случае говорят о ион-дипольном взаимодействии. Кроме того, может иметь место донорно-акцепторное взаимодействие. Здесь коны растворенного вещества обычно выступают в качестве акцепторов, а молекулы растворителя — в качестве доноров электронных пар. Ясно, что в таком взаимодействии могут участвовать растворители, молекулы которых обладают неподеленными электронными парами (например, вода, аммиак). Гидраты, образующиеся в результате донорно-акцепторного взаимодействия, представляют собой частный случай комплексных соединений, рассматриваемых в главе XVIII (аквакомплексы — см. § 204).
При растворении веществ с молекулярной структурой сольваты образуются вследствие диполь-дипольного взаимодействия. Диполи растворенного вещества могут быть при этом постоянными (у веществ с полярными молекулами) или наведенными (у веществ с неполярными молекулами).
Предположение о существовании в водных растворах гидратов высказано и обосновано в восьмидесятых годах XIX века Д. И. Менделеевым, который считал, что растворение— не только физический, но и химический процесс, что вещества, растворяющиеся в воде, образуют с ней соединения. Об этом свидетельствует прежде всего изучение теплот растворения.
Подтверждением химизма процесса растворения является и тот факт, что многие вещества выделяются из водных растворов в виде кристаллов, содержащих так называемую кристаллизационную воду (см. ниже), причем на каждую молекулу растворенного вещества приходится определенное число молекул воды. «Это, — писал Д. И. Менделеев,- дает повод думать, что и в самих растворах имеются такие же или подобные им соединения растворенных тел с растворителем, только в жидком (и отчасти разложенном) виде».
Гидраты, как правило, нестойкие соединения, во многих случаях разлагающиеся уже при выпаривании растворов. Но иногда гидраты настолько прочны, что при выделении растворенного вещества из раствора вода входит в состав его кристаллов. Вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды, называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода — кристаллизационной.
Прочность связи между веществом и кристаллизационной водой в кристаллогидратах различна. Многие из них теряют кристаллизационную воду уже при комнатной температуре. Так, прозрачные кристаллы соды (Na2CO3·10H2O) легко «выветриваются», — теряя кристаллизационную воду, становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок. Для обезвоживания других кристаллогидратов требуется довольно сильное нагревание.
Процесс образования гидратов протекает с выделением теплоты. При растворении вещества, подвергающегося гидратации, общий тепловой эффект складывается из теплового эффекта собственно растворения и теплового эффекта гидратации. Поскольку первый из этих процессов эндотермичен, а второй экзотермичен, то общий тепловой эффект процесса растворения, равный алгебраической сумме тепловых эффектов отдельных процессов, может быть как положительным, так и отрицательным.
Что такое гидраты и кристаллогидраты
Растворы – это однородные смеси, содержащие не менее двух веществ.
По агрегатному состоянию различают растворы твердые, газообразные и жидкие.
Наиболее распространены жидкие растворы.
Гидраты – это нестойкие соединения, которые образуются при химическом взаимодействии молекул воды с частицами растворенного вещества.
Процесс образования гидратов называют гидратацией.
Гидраты, как правило, разлагаются при выпаривании растворов.
Кристаллогидраты – это кристаллические вещества, содержащие молекулы воды.
Воду, входящую в состав кристаллогидратов, называют кристаллизационной.
Формулы кристаллогидратов:
Кристаллогидрат сульфата меди(II) (медный купорос): CuSO4 · 5H2O.
Железный купорос: FeSO4 · 7H2O.
Растворы занимают промежуточное положение между смесями и химическими соединениями.
Сходства растворов с химическими соединениями:
— растворы однородны и устойчивы, не осаждаются и не расслаиваются при длительном стоянии;
— процесс растворения сопровождается тепловым эффектом.
Сходства растворов со смесями:
— растворы не имеют постоянного состава, он может изменяться в широких пределах;
— растворы сохраняют многие свойства растворителя и растворенного вещества. Они могут быть легко разделены на составные части, как и смеси.
Виды кристаллогидратов и реакции их образования
Кристаллогидраты — что это такое в химии
В разных сферах современной промышленности активно используют алебастр, жженый гипс, силикагель, глауберовую соль, алюмогель и другие материалы, являющиеся кристаллогидратами. Эти вещества обладают кристаллической структурой и содержат в своём составе воду. Обязательным условием формирования кристаллогидратов является образование межмолекулярных связей молекул воды с ионами кристаллической решетки.
Кристаллогидраты — являются соединениями, кристаллизующимися с молекулами воды. Вода, входящая в состав кристаллогидратов называется кристаллизационной водой.
Во многих случаях соли, образующиеся в виде осадка из водных растворов, являются кристаллогидратами.
К группе кристаллогидратов относят природные минералы, которые всем известны и широко распространены. К ним причисляют карналлит, гипс, кристаллическую соду, медный и железный купорос и др.
Общая формула, молярная масса
Общая формула кристаллогидратов состоит из обезвоженного вещества А и воды:
где х является коэффициентом, который относится к формуле воды.
В качестве примера можно рассмотреть вещество А, массовая доля которого составляет 20% от 100% соединения. Таким образом, 100 грамм кристаллогидрата содержат 20 грамм вещества А.
n ( C u S O 4 · 5 H 2 O ) : n ( C u S O 4 ) = 1 : 1
Другая форма записи уравнения:
n ( C u S O 4 · 5 H 2 O ) = n ( C u S O 4 )
С помощью формулы можно определить молярные массы кристаллогидрата и сульфата меди (II):
М ( C u S O 4 · 5 H 2 O ) = 64 + 32 + 64 + 5 · 18 = 250 г / м о л ь
М ( C u S O 4 ) = 64 + 32 + 64 = 160 г / м о л ь
Количество вещества кристаллогидрата:
Масса сульфата меди в составе кристаллогидрата:
Второй метод расчета массовой доли C u S O 4 в полученной смеси начинается с записи формулы для расчета искомого показателя:
При известной массовой доле сульфата меди можно определить массу сульфата меди в количестве кристаллогидрата массой 7,6 г:
Масса исходной воды составляет:
m ( H 2 O ) = ρ · V = 1 г / м л · 300 м л = 300 г
Согласно принципу материального баланса, можно вычислить массу раствора сульфата меди (II).
Массовая доля сульфата меди (II) в полученной смеси составит:
Какие бывают виды, классификация с примерами
Кристаллогидраты являются сложными соединениями, в состав которых входят атомы нескольких химических элементов. Основой классификации кристаллогидратов служат следующие признаки:
Образование кристаллогидратов, примеры соединений, где применяются
В распространенных случаях соединения, как правило, соли, выкристаллизовываются из водных растворов и принимают вид кристаллогидратов. В качестве примера можно привести медный купорос с формулой:
C u S O 4 · 5 H 2 O
Растворение кристаллогидратов в водной среде сопровождается сложными физико-химическими процессами. Конечным результатом такого взаимодействия является диссоциация вещества. В результате происходит отделение кристаллизационной воды и её смешивание с растворителем. Условно процесс растворения записывают с помощью следующего уравнения:
C u S O 4 · 5 H 2 O → C u S O 4 + 5 H 2 O
Наиболее часто в решении задач по химии можно встретить следующие названия кристаллогидратов:
В том случае, когда кристаллогидраты растворяются в водной среде, высока вероятность разрушения кристаллической решетки соединения. Полученные в результате частицы распределяются по всей смеси. В процессе можно наблюдать выделение значительной тепловой энергии.
Исходя из температурного режима, одинаковые вещества могут содержать разное число молекул воды. Некоторые кристаллогидраты в воздушной среде утрачивают кристаллизационную воду без постороннего воздействия. Данный процесс называют выветриванием. Для искусственного удаления воды, то есть обезвоживания вещества, его нагревают или прокаливают.
В большинстве своем кристаллогидраты представлены солями. Химический состав вещества записывают в виде формулы с молекулярным числом кристаллизационной воды, ее долей на одну молекулу вещества. Для того чтобы обозначить формулу определенного кристаллогидрата, принято указывать молекулярное число воды с помощью наложения приставок из греческого алфавита. Список таких приставок:
Активно применяют в современной промышленности технические кристаллогидраты. К данной группе относят:
Кристаллогидраты используют в таких сферах, как:
Популярностью в медицинской отрасли пользуются следующие кристаллогидраты: