Почему в чайнике и котле нарастает накипь, а теплая газировка выдыхается быстрее? Сыпь соль в стакан, грей и охлаждай раствор и смотри, как точка ходит по кривой растворимости.
Сыпь соль в стакан с водой и мешай. Сначала она исчезает: молекулы воды окружают ионы и растаскивают кристалл. Но в какой-то момент соль перестает растворяться и остается на дне. Раствор стал насыщенным: столько, сколько уходит с кристалла в воду, столько же из воды возвращается на кристалл.
Сколько граммов вещества растворяется в 100 г воды, называют растворимостью. У большинства солей она растет при нагреве, у селитры в 18 раз от 0 до 100 °C, а у поваренной соли почти не меняется. У газов наоборот: в горячей воде их меньше. Поэтому горячий раствор при охлаждении дает кристаллы, а теплая вода теряет растворенный кислород и углекислый газ.
ⓘ Кривые построены по справочным таблицам растворимости через каждые 10 °C. Растворение и кристаллизация в опыте ускорены, на самом деле они идут минутами и часами.
Растворимость берут из таблицы или с кривой. Остальное считается простой арифметикой. Числа под формулами берутся из опыта, подсвечена карточка, которая сейчас «работает».
Сколько вещества в растворе
Массовая доля: растворенное вещество делим на массу всего раствора. В насыщенном растворе mв равна растворимости S на 100 г воды.
Сколько выпадет при охлаждении
Раствор, насыщенный при горячей температуре t₁, охладили до t₂. Вода может удержать только S(t₂), остальное выпадает кристаллами. Это перекристаллизация.
Закон Генри: газ в воде
Газа растворяется тем больше, чем больше его давление над водой. Коэффициент kH падает при нагреве, поэтому теплая вода держит меньше газа.
Каждая точка кривой это насыщенный раствор при данной температуре. Точка ниже кривой: раствор ненасыщенный, можно растворить еще. Точка выше кривой: вещества больше, чем вода может удержать, лишнее выпадает. Поэтому при охлаждении точка идет влево по горизонтали, упирается в кривую и дальше сползает по ней вниз, а разница уходит в кристаллы.
Пример с калиевой селитрой: при 60 °C в 100 г воды растворяется 110 г, при 20 °C только 31,6 г. Охладили насыщенный горячий раствор, и выпало 110 − 31,6 = 78,4 г кристаллов, больше двух третей вещества. Примеси при этом остаются в растворе, так вещество очищают.
Почему у газов наоборот: растворение газа идет с выделением тепла, и по принципу Ле Шателье нагрев сдвигает равновесие к выходу газа из воды. У большинства солей растворение поглощает тепло, и нагрев растворению помогает.
Карбонат и сульфат кальция растворяются в горячей воде хуже, чем в холодной. Поэтому соли жесткости оседают именно на горячих стенках котла, в теплообменнике и рубашке охлаждения двигателя. Слой накипи 1 мм заметно ухудшает теплопередачу.
Для котлов и систем охлаждения воду умягчают: удаляют кальций и магний ионообменом. В двигатели заливают антифриз на дистиллированной воде, а не из-под крана, именно чтобы не было отложений.
CO₂ закачивают в напиток под давлением около 3 атм, по закону Генри. Открыл бутылку, и лишний газ выходит пузырями. Так же азот выходит из крови водолаза при быстром подъеме, поэтому подниматься нужно медленно.
При 5 °C в воде около 13 мг/л кислорода, при 30 °C всего 7,6. Летом теплый пруд беднеет кислородом, и рыба задыхается. Сброс теплой воды с электростанций и фабрик в реку опасен по той же причине.
Металлы извлекают из руды растворами: золото цианидом, медь серной кислотой. Затем соли выделяют из раствора охлаждением и выпариванием. Медный купорос и калийные удобрения получают перекристаллизацией.
Растворимость NaCl почти не зависит от температуры, а насыщенный рассол замерзает только при −21 °C. Поэтому солью посыпают дороги, а соляной раствор используют как теплоноситель в холодильных установках.
Растворимость солей и сахара взята из справочных таблиц через 10 °C и между точками интерполирована по прямой. Для медного купороса она дана в пересчете на безводный CuSO₄, хотя выпадает он кристаллогидратом CuSO₄·5H₂O, который забирает часть воды. Кислород растворяется из воздуха (давление O₂ 0,21 атм), углекислый газ из чистого CO₂ при 1 атм; при 100 °C растворимость газов в кипящей воде условно принята за ноль. Закон Генри считается точным: концентрация газа строго пропорциональна давлению. Испарение воды при нагреве не учитывается, масса воды всегда 100 г. Пересыщенный раствор в опыте не держится: кристаллы выпадают сразу, а в чистом стакане без затравки раствор может оставаться пересыщенным долго.