Растворимость

Способность вещества растворяться в растворителе гомогенным образом.

Пример растворенного твердого вещества (слева)

Образование кристаллов в 4,2 М растворе сульфата аммония . Первоначально раствор готовили при 20°С, а затем хранили в течение 2 дней при 4°С.

В химии растворимость — это способность вещества ( растворенного вещества ) образовывать раствор с другим веществом ( растворителем) . Нерастворимость – противоположное свойство, неспособность растворенного вещества образовывать такой раствор.

Степень растворимости вещества в конкретном растворителе обычно измеряется как концентрация растворенного вещества в насыщенном растворе, в котором растворенное вещество больше не растворяется. ^[1] В этот момент говорят, что два вещества находятся в равновесии растворимости . Для некоторых растворенных веществ и растворителей такого предела может не быть, и в этом случае говорят, что эти два вещества « смешиваются во всех пропорциях» (или просто «смешиваются»). ^[2]

Растворенное вещество может быть твердым , жидким или газообразным , тогда как растворитель обычно бывает твердым или жидким. Оба могут быть чистыми веществами или сами быть растворами. Газы всегда смешиваются во всех пропорциях, за исключением очень крайних ситуаций ^[3] , а твердое вещество или жидкость можно «растворить» в газе, только перейдя сначала в газообразное состояние.

Растворимость главным образом зависит от состава растворенного вещества и растворителя (включая их pH и присутствие других растворенных веществ), а также от температуры и давления. Зависимость часто можно объяснить с точки зрения взаимодействия между частицами ( атомами , молекулами или ионами ) двух веществ, а также термодинамических понятий, таких как энтальпия и энтропия .

При определенных условиях концентрация растворенного вещества может превышать обычный предел растворимости. В результате получается пересыщенный раствор , который является метастабильным и быстро исключает избыток растворенного вещества, если появляется подходящее место зародышеобразования . ^[4]

Понятие растворимости не применяется, когда между двумя веществами происходит необратимая химическая реакция , например реакция гидроксида кальция с соляной кислотой ; даже если неформально можно сказать, что одно «растворило» другое. Растворимость также отличается от скорости растворения , которая показывает, насколько быстро твердое растворенное вещество растворяется в жидком растворителе. Это свойство зависит от многих других переменных, таких как физическая форма двух веществ, а также способ и интенсивность смешивания.

Понятие и мера растворимости чрезвычайно важны во многих науках, помимо химии, таких как геология , биология , физика и океанография , а также в технике , медицине , сельском хозяйстве и даже в нетехнических видах деятельности, таких как рисование , уборка , приготовление пищи . и пивоварение . Большинство химических реакций, представляющих научный, промышленный или практический интерес, происходят только после растворения реагентов в подходящем растворителе. Вода на сегодняшний день является наиболее распространенным таким растворителем.

Термин «растворимый» иногда используется для материалов, которые могут образовывать коллоидные суспензии очень мелких твердых частиц в жидкости. ^[5] Однако количественная растворимость таких веществ обычно не определена четко.

Количественная оценка растворимости

Растворимость конкретного растворенного вещества в конкретном растворителе обычно выражается как концентрация насыщенного раствора этих двух веществ. ^[1] Можно использовать любой из нескольких способов выражения концентрации растворов, например массу , объем или количество в молях растворенного вещества для определенной массы, объема или мольного количества растворителя или раствора.

За количество растворителя

В частности, в справочниках по химии растворимость часто выражается в граммах растворенного вещества на 100 миллилитров растворителя (г/(100 мл)) или в граммах растворенного вещества на децилитр растворителя (г/дл); или, реже, в граммах растворенного вещества на литр растворителя (г/л). Вместо этого количество растворителя можно выразить в массе, в граммах растворенного вещества на 100 грамм растворителя (г/(100 г)) или в граммах растворенного вещества на килограмм растворителя (г/кг). В этом случае число может быть выражено в процентах, а аббревиатура «w/w» может использоваться для обозначения «веса на вес». ^[6] (Значения в г/л и г/кг аналогичны для воды, но для других растворителей это может быть не так.)

Альтернативно, растворимость растворенного вещества может быть выражена в молях, а не в массе. Например, если количество растворителя указано в килограммах , значением будет моляльность раствора (моль/кг).

На количество раствора

Растворимость вещества в жидкости также может быть выражена как количество растворенного вещества на количество раствора , а не растворителя. Например, следуя общепринятой практике титрования , его можно выразить в молях растворенного вещества на литр раствора (моль/л), то есть в молярности последнего.

В более специализированных контекстах растворимость может выражаться мольной долей (моль растворенного вещества на общее количество молей растворенного вещества плюс растворитель) или массовой долей в равновесии (масса растворенного вещества на массу растворенного вещества плюс растворитель). Оба являются безразмерными числами от 0 до 1, которые могут быть выражены в процентах (%).

Жидкие и газообразные растворенные вещества

Для растворов жидкостей или газов в жидкостях количества обоих веществ могут быть заданы по объему, а не по массе или мольному количеству; например, литр растворенного вещества на литр растворителя или литр растворенного вещества на литр раствора. Значение может быть задано в процентах, и для обозначения этого выбора может использоваться сокращение «v/v» от «объем на объем».

Преобразование значений растворимости

Преобразование между этими различными способами измерения растворимости может быть нетривиальным, поскольку может потребовать знания плотности раствора, которая часто не измеряется и не может быть предсказана. Хотя общая масса сохраняется при растворении, конечный объем может отличаться как от объема растворителя, так и от суммы двух объемов. ^[7]

Более того, многие твердые вещества (например, кислоты и соли ) при растворении диссоциируют нетривиальным образом; и наоборот, растворитель может образовывать координационные комплексы с молекулами или ионами растворенного вещества. В этих случаях сумма молей молекул растворенного вещества и растворителя на самом деле не является общим количеством молей раствора независимых частиц. Чтобы обойти эту проблему, растворимость на моль раствора обычно рассчитывают и указывают так, как будто растворенное вещество не диссоциирует и не образует комплексов, то есть делая вид, что мольное количество раствора представляет собой сумму мольных количеств двух веществ. .

Квалификаторы, используемые для описания степени растворимости

Степень растворимости варьируется в широком диапазоне: от бесконечно растворимого (без ограничений, т.е. смешивающегося ^[2] ), такого как этанол в воде, до практически нерастворимого, такого как диоксид титана в воде. Ряд других описательных терминов также используется для определения степени растворимости для данного применения. Например, в Фармакопее США даны следующие термины в зависимости от массы m _sv растворителя, необходимого для растворения одной единицы массы m _sv растворенного вещества: ^[8] (Растворимость в примерах приблизительная, для воды при 20-25 °C .)

Пороговые значения для описания чего-либо как нерастворимого или аналогичные термины могут зависеть от приложения. Например, в одном источнике утверждается, что вещества считаются «нерастворимыми», если их растворимость составляет менее 0,1 г на 100 мл растворителя. ^[9]

Молекулярный взгляд

Растворимость возникает в условиях динамического равновесия, что означает, что растворимость является результатом одновременных и противоположных процессов растворения и присоединения фаз (например, осаждения твердых веществ ). Равновесие растворимости возникает, когда два процесса протекают с одинаковой и противоположной скоростью. ^{[ нужны разъяснения ]}

Термин «растворимость» также используется в некоторых областях, где растворенное вещество изменяется в результате сольволиза . Например, многие металлы и их оксиды считаются «растворимыми в соляной кислоте», хотя на самом деле водная кислота необратимо разлагает твердое вещество с образованием растворимых продуктов. Верно также и то, что большинство ионных твердых веществ растворяются полярными растворителями, но такие процессы обратимы. В тех случаях, когда растворенное вещество не восстанавливается при испарении растворителя, процесс называется сольволизом. Термодинамическая концепция растворимости не применима непосредственно к сольволизу.

Когда растворенное вещество растворяется, оно может образовывать в растворе несколько видов. Например, водная суспензия гидроксида железа Fe (OH)
₂, будет содержать ряд [Fe(H ₂ O) _x (OH) _x ] ^(2x)+ , а также другие виды. Кроме того, растворимость гидроксида железа и состав его растворимых компонентов зависят от pH . В общем, растворимость в фазе растворителя может быть указана только для конкретного растворенного вещества, которое термодинамически стабильно, и значение растворимости будет включать все соединения в растворе (в приведенном выше примере - все железосодержащие комплексы).

Факторы, влияющие на растворимость

Растворимость определяется для конкретных фаз . Например, ожидается, что растворимость арагонита и кальцита в воде будет разной, хотя они оба являются полиморфами карбоната кальция и имеют одинаковую химическую формулу . ^{[ нужны разъяснения ]}

Растворимость одного вещества в другом определяется балансом межмолекулярных сил между растворителем и растворенным веществом, а также изменением энтропии , сопровождающим сольватацию. Такие факторы, как температура и давление, изменят этот баланс, тем самым изменяя растворимость.

Растворимость также может сильно зависеть от присутствия в растворителе других веществ, например, комплексообразующих анионов ( лигандов ) в жидкостях. Растворимость также будет зависеть от избытка или недостатка общего иона в растворе ^{[ необходимы разъяснения ]} — явление, известное как эффект общего иона . В меньшей степени растворимость будет зависеть от ионной силы растворов. Последние два эффекта можно оценить количественно, используя уравнение равновесия растворимости .

Ожидается, что растворимость твердого вещества, которое растворяется в окислительно-восстановительной реакции, будет зависеть от потенциала (в пределах диапазона потенциалов, при котором твердое вещество остается термодинамически стабильной фазой). Например, растворимость золота в высокотемпературной воде оказывается почти на порядок выше (т.е. примерно в десять раз выше), когда окислительно-восстановительный потенциал контролируется с помощью высокоокисляющего окислительно-восстановительного буфера Fe 3 _O 4 _-Fe 2 _O 3 _, чем с умеренно окислительным буфером Ni-NiO. ^[10]

Растворимость (метастабильная, при концентрациях, близких к насыщению) зависит также от физического размера кристалла или капли растворенного вещества (или, строго говоря, от удельной поверхности или молярной поверхности растворенного вещества). ^[11] Для количественной оценки см. уравнение в статье о равновесии растворимости . Для сильнодефектных кристаллов растворимость может увеличиваться с увеличением степени беспорядка. Оба этих эффекта возникают из-за зависимости константы растворимости от энергии Гиббса кристалла. Последние два эффекта, хотя их часто трудно измерить, имеют практическое значение. ^{[ нужна цитация ]} Например, они обеспечивают движущую силу старения осадка (размер кристаллов самопроизвольно увеличивается со временем).

Температура

Растворимость данного растворенного вещества в данном растворителе зависит от температуры. В зависимости от изменения энтальпии (ΔH ) реакции растворения, т. е . от эндотермического (ΔH >  0) или экзотермического (ΔH <  0) характера реакции растворения, растворимость данного соединения может увеличиваться или уменьшаться. с температурой. Уравнение Ван 'т-Гоффа связывает изменение константы равновесия растворимости ( K _sp ) с изменением температуры и изменением энтальпии реакции . Для большинства твердых веществ и жидкостей их растворимость увеличивается с температурой, поскольку реакция их растворения эндотермическая (Δ H  > 0). ^[12] В жидкой воде при высоких температурах (например, при приближении к критической температуре ) растворимость ионных растворенных веществ имеет тенденцию уменьшаться из-за изменения свойств и структуры жидкой воды; более низкая диэлектрическая проницаемость приводит к образованию менее полярного растворителя и к изменению энергии гидратации, влияющей на Δ G реакции растворения.

Газообразные растворенные вещества демонстрируют более сложное поведение в зависимости от температуры. При повышении температуры газы обычно становятся менее растворимыми в воде (экзотермическая реакция растворения, связанная с их гидратацией) (до минимума, которая для большинства перманентных газов ниже 120 °С ^[13] ), но более растворимыми в органических растворителях (эндотермическая реакция растворения, связанная с их гидратацией). реакция растворения, связанная с их сольватацией). ^[12]

На диаграмме показаны кривые растворимости некоторых типичных твердых неорганических солей в жидкой воде (температура указана в градусах Цельсия , т.е. минус 273,15 Кельвинов ). ^[14] Многие соли ведут себя как нитрат бария и гидроарсенат динатрия и демонстрируют значительное увеличение растворимости с температурой (Δ H  > 0). Растворимость некоторых растворенных веществ (например, хлорида натрия в воде) практически не зависит от температуры (Δ H  ≈ 0). Некоторые из них, такие как сульфат кальция ( гипс ) и сульфат церия (III) , становятся менее растворимыми в воде при повышении температуры (Δ H  < 0). ^[15] То же самое относится и к гидроксиду кальция ( портландиту ), растворимость которого при 70 °C составляет около половины его значения при 25 °C. Растворение гидроксида кальция в воде также является экзотермическим процессом (ΔH <  0) и подчиняется уравнению Вант-Гоффа и принципу Ле Шателье . Понижение температуры способствует отводу теплоты растворения из системы и, таким образом, способствует растворению Ca(OH) ₂ : поэтому растворимость портландита увеличивается при низкой температуре. Эту температурную зависимость иногда называют «ретроградной» или «обратной» растворимостью. Иногда наблюдается более сложная картина, как в случае с сульфатом натрия , где менее растворимый кристалл декагидрата ( мирабилит ) теряет кристаллизационную воду при 32 °C с образованием более растворимой безводной фазы ( тенардита ) с меньшим изменением свободной энергии Гиббса. (ΔG ) в реакции растворения. ^{[ нужна цитата ]}

Растворимость органических соединений почти всегда увеличивается с повышением температуры. Техника перекристаллизации , используемая для очистки твердых веществ, зависит от различной растворимости растворенного вещества в горячем и холодном растворителе. Существует несколько исключений, например, некоторые циклодекстрины . ^[16]

Давление

Для конденсированных фаз (твердых и жидких) зависимость растворимости от давления обычно слабая, и на практике ею обычно пренебрегают. Предполагая идеальное решение , зависимость можно количественно выразить как:

${\displaystyle \left({\frac {\partial \ln N_{i}}{\partial P}}\right)_{T}=-{\frac {V_{i,aq}-V_{i,cr}}{RT}}}$

где индекс повторяет компоненты, - мольная доля -го компонента в растворе, - давление, индекс относится к постоянной температуре, - парциальный молярный объем -го компонента в растворе, - парциальный молярный объем -го компонента растворяющегося твердого вещества, и – универсальная газовая постоянная . ^[17] ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle N_{i}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle V_{i,aq}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle V_{i,cr}}$ ${\displaystyle i}$ ${\displaystyle R}$

Зависимость растворимости от давления иногда имеет практическое значение. Например, загрязнение нефтяных месторождений и скважин осадками сульфатом кальция (который снижает его растворимость при понижении давления) со временем может привести к снижению производительности.

Растворимость газов

Закон Генри используется для количественной оценки растворимости газов в растворителях. Растворимость газа в растворителе прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа над растворителем. Это соотношение аналогично закону Рауля и может быть записано как:

${\displaystyle p=k_{\rm {H}}\,c}$

где – константа, зависящая от температуры (например, 769,2 л · атм / моль для дикислорода (О ₂ ) в воде при 298 К), – парциальное давление (в атм), – концентрация растворенного газа в жидкости (в моль/л). ${\displaystyle k_{\rm {H}}}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle c}$

Растворимость газов иногда также определяют количественно с помощью коэффициента растворимости Бунзена .

При наличии мелких пузырьков растворимость газа не зависит от радиуса пузырьков иначе как через влияние радиуса на давление (т. е. растворимость газа в жидкости, контактирующей с мелкими пузырьками, увеличивается за счет увеличение давления на Δp =  2γ/ r (см. уравнение Юнга–Лапласа ). ^[18]

Закон Генри справедлив для газов, химический состав которых не изменяется при растворении. Закон Зивертса показывает случай, когда это предположение не выполняется.

На растворимость углекислого газа в морской воде также влияют температура, pH раствора и карбонатный буфер. Уменьшение растворимости углекислого газа в морской воде при повышении температуры также является важным фактором обратного действия (положительная обратная связь), усугубляющим прошлые и будущие изменения климата , как это наблюдается в кернах льда с полигона Восток в Антарктиде . В геологическом масштабе времени из-за циклов Миланковича , когда астрономические параметры земной орбиты и оси ее вращения постепенно изменяются и модифицируют солнечное излучение на поверхности Земли, температура начинает расти. Когда начинается период дегляциации, прогрессирующее потепление океанов приводит к выбросу CO ₂ в атмосферу из-за его меньшей растворимости в более теплой морской воде. В свою очередь, более высокие уровни CO ₂ в атмосфере усиливают парниковый эффект , а углекислый газ действует как усилитель общего потепления.

Полярность

Популярный афоризм , используемый для предсказания растворимости, гласит: « подобное растворяется в подобном », также выражается на латинском языке как « Similia similibussolverur ». ^[19] Это утверждение указывает на то, что растворенное вещество лучше всего растворяется в растворителе, который имеет аналогичную химическую структуру , что основано на благоприятной энтропии смешения . Эта точка зрения упрощена, но представляет собой полезное эмпирическое правило. Общая сольватационная способность растворителя зависит прежде всего от его полярности . ^[a] Например, очень полярное ( гидрофильное ) растворенное вещество, такое как мочевина , хорошо растворимо в сильно полярной воде, менее растворимо в довольно полярном метаноле и практически нерастворимо в неполярных растворителях, таких как бензол . Напротив, неполярное или липофильное растворенное вещество, такое как нафталин , нерастворимо в воде, хорошо растворимо в метаноле и хорошо растворимо в неполярном бензоле. ^[20]

Растворение хлорида натрия в воде

Говоря еще проще, простое ионное соединение (с положительными и отрицательными ионами), такое как хлорид натрия (обычная соль), легко растворяется в высокополярном растворителе (с некоторым разделением положительных (δ+) и отрицательных (δ-) зарядов в ковалентная молекула), например вода , поэтому море соленое, поскольку оно накапливает растворенные соли с ранних геологических эпох.

Растворимости благоприятствует энтропия смешения (Δ S ) и зависит от энтальпии растворения (Δ H ) и гидрофобного эффекта . Свободная энергия растворения ( энергия Гиббса ) зависит от температуры и определяется соотношением: ΔG = ΔH – TΔS . Меньшее ΔG означает большую растворимость.

Химики часто используют различия в растворимости для разделения и очистки соединений из реакционных смесей, используя метод жидкостно-жидкостной экстракции . Это применимо к обширным областям химии: от синтеза лекарств до переработки отработанного ядерного топлива .

Скорость растворения

Растворение – это не мгновенный процесс. Скорость растворения (в кг/с) зависит от произведения растворимости и площади поверхности материала. Скорость растворения твердого вещества может зависеть от его кристалличности или ее отсутствия в случае аморфных твердых веществ, а также от площади поверхности (размера кристаллитов) и наличия полиморфизма . Многие практические системы иллюстрируют этот эффект, например, при разработке методов контролируемой доставки лекарств . В некоторых случаях для установления равновесия растворимости может потребоваться длительное время (часы, дни, месяцы или многие годы; в зависимости от природы растворенного вещества и других факторов).

Скорость растворения часто можно выразить уравнением Нойеса–Уитни или уравнением Нернста и Бруннера ^[21] вида:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=A{\frac {D}{d}}(C_{\mathrm {s} }-C_{\mathrm {b} })}$

где:

• ${\displaystyle m}$= масса растворенного материала
• ${\displaystyle t}$= время
• ${\displaystyle A}$= площадь поверхности раздела между растворяющим веществом и растворителем
• ${\displaystyle D}$= коэффициент диффузии
• ${\displaystyle d}$= толщина пограничного слоя растворителя на поверхности растворяющегося вещества
• ${\displaystyle C_{s}}$= массовая концентрация вещества на поверхности
• ${\displaystyle C_{b}}$= массовая концентрация вещества в объеме растворителя

Ведь растворение, ограниченное диффузией (или массопереносом, если имеется смешение), равно растворимости вещества. Когда скорость растворения чистого вещества нормируется на площадь поверхности твердого вещества (которая обычно меняется со временем в процессе растворения), тогда ее выражают в кг/м ² с и называют «собственной скоростью растворения». Собственная скорость растворения определяется Фармакопеей США . ${\displaystyle C_{s}}$

Скорость растворения в разных системах различается на порядки. Обычно очень низкая скорость растворения соответствует низкой растворимости, а вещества с высокой растворимостью демонстрируют высокие скорости растворения, как предполагает уравнение Нойса-Уитни.

Теории растворимости

Продукт растворимости

Константы растворимости используются для описания насыщенных растворов ионных соединений относительно низкой растворимости (см. Равновесие растворимости ). Константа растворимости является частным случаем константы равновесия . Поскольку это произведение равновесных концентраций ионов, его также называют произведением растворимости . Он описывает баланс между растворенными ионами соли и нерастворенной солью. Константа растворимости также «применима» (т.е. полезна) для осаждения , обратной реакции растворения. Как и в случае с другими константами равновесия, температура может влиять на численное значение константы растворимости. Хотя константа растворимости не так проста, как растворимость, значение этой константы обычно не зависит от присутствия других веществ в растворителе.

Другие теории

Теория растворов Флори-Хаггинса представляет собой теоретическую модель, описывающую растворимость полимеров. Параметры растворимости Хансена и параметры растворимости Хильдебранда представляют собой эмпирические методы прогнозирования растворимости. Также возможно предсказать растворимость на основе других физических констант, таких как энтальпия плавления .

Коэффициент распределения октанол-вода , обычно выражаемый в виде логарифма (Log P), является мерой дифференциальной растворимости соединения в гидрофобном растворителе ( 1-октаноле ) и гидрофильном растворителе (воде). Логарифм этих двух величин позволяет ранжировать соединения по гидрофильности (или гидрофобности).

Изменение энергии, связанное с растворением, обычно выражается на моль растворенного вещества как энтальпия раствора .

Приложения

Растворимость имеет фундаментальное значение во многих научных дисциплинах и практических приложениях, начиная от переработки руды и ядерной переработки и заканчивая использованием лекарств и транспортировкой загрязняющих веществ.

Растворимость часто называют одним из «характеристических свойств вещества», а это означает, что растворимость обычно используется для описания вещества, для указания полярности вещества, для того, чтобы помочь отличить его от других веществ, а также в качестве руководства к применению. вещества. Например, индиго описывается как «нерастворимый в воде, спирте или эфире, но растворимый в хлороформе, нитробензоле или концентрированной серной кислоте ». ^[22]

Растворимость вещества полезна при разделении смесей. Например, смесь соли ( хлорида натрия ) и кремнезема можно разделить, растворив соль в воде и отфильтровав нерастворенный кремнезем. Синтез химических соединений, измеряемый миллиграммами в лаборатории или тоннами в промышленности, для достижения разделения использует относительную растворимость желаемого продукта, а также непрореагировавших исходных материалов, побочных продуктов и побочных продуктов.

Другой пример — синтез бензойной кислоты из фенилмагнийбромида и сухого льда . Бензойная кислота более растворима в органическом растворителе, таком как дихлорметан или диэтиловый эфир , и при встряхивании с этим органическим растворителем в делительной воронке она преимущественно растворяется в органическом слое. Другие продукты реакции, включая бромид магния, останутся в водном слое, что ясно показывает, что разделение по растворимости достигается. Этот процесс, известный как жидкостно-жидкостная экстракция , является важным методом в синтетической химии . Переработка используется для обеспечения максимального извлечения.

Дифференциальная растворимость

В проточных системах различия в растворимости часто определяют перенос веществ, вызванный растворением и осаждением. Это происходит, когда разные части системы находятся в разных условиях. Даже слегка отличающиеся условия могут привести к значительным эффектам при достаточном времени.

Например, обнаружено, что соединения с относительно низкой растворимостью растворимы в более экстремальных условиях, что приводит к геохимическим и геологическим эффектам деятельности гидротермальных флюидов в земной коре. Они часто являются источником высококачественных полезных ископаемых, а также драгоценных или полудрагоценных камней. Точно так же соединения с низкой растворимостью растворяются в течение длительного времени (геологического времени), что приводит к значительным последствиям, таким как обширные системы пещер или карстовые поверхности земли.

Растворимость ионных соединений в воде

Некоторые ионные соединения ( соли ) растворяются в воде, что возникает из-за притяжения между положительными и отрицательными зарядами (см.: сольватация ). Например, положительные ионы соли (например, Ag ⁺ ) притягивают частично отрицательный атом кислорода в H ₂ O . Аналогично, отрицательные ионы соли (например, Cl ^- ) притягивают частично положительные водороды в H ₂ O . Примечание: атом кислорода частично отрицательен, поскольку он более электроотрицательен , чем водород, и наоборот (см.: Химическая полярность ).

AgCl _(тв) ⇌ Ag ⁺ _(водн.) + Cl ^- _(водн.)

Однако существует предел того, сколько соли можно растворить в данном объеме воды. Эта концентрация представляет собой растворимость и связана с произведением растворимости K _sp . Эта константа равновесия зависит от типа соли ( например, AgCl или NaCl ), температуры и эффекта общего иона.

Рассчитать количество AgCl , которое растворится в 1 литре чистой воды, можно следующим образом:

K _sp = [Ag ⁺ ] × [Cl ⁻ ] / M ² (определение произведения растворимости; M = моль/л)

K _уд = 1,8× ^10-10 (из таблицы произведений растворимости)

[Ag ⁺ ] = [Cl ⁻ ], в отсутствие других солей серебра или хлоридов, поэтому

[Ag ⁺ ] ² = 1,8 × 10 ⁻¹⁰ М ²

[Ag ⁺ ] = 1,34 × 10 ⁻⁵ моль/л

Результат: в 1 литре воды растворяется 1,34×10-5 ^моль AgCl при комнатной температуре. По сравнению с другими солями AgCl плохо растворяется в воде. Например, поваренная соль ( NaCl ) имеет гораздо более высокий K _sp = 36 и, следовательно, более растворима. В следующей таблице представлен обзор правил растворимости различных ионных соединений.

Растворимость органических соединений

Принцип, изложенный выше в разделе полярности, согласно которому подобное растворяется в подобном , является обычным руководством по растворимости в органических системах. Например, вазелин растворяется в бензине , поскольку и вазелин, и бензин являются неполярными углеводородами. С другой стороны, он не растворяется в этиловом спирте или воде, поскольку полярность этих растворителей слишком высока. Сахар не растворится в бензине, так как сахар слишком полярен по сравнению с бензином. Поэтому смесь бензина и сахара можно разделить фильтрованием или экстракцией водой.

Твердый раствор

Этот термин часто используется в области металлургии для обозначения степени, в которой легирующий элемент растворяется в основном металле , не образуя отдельной фазы. Линия растворимости или линия растворимости (или кривая) — это линия (или линии) на фазовой диаграмме , которые обозначают пределы добавления растворенного вещества. То есть линии показывают максимальное количество компонента, которое можно добавить к другому компоненту и при этом оставаться в твердом растворе . В кристаллической структуре твердого тела «растворенный» элемент может либо занимать место матрицы внутри решетки (позиция замещения; например, хром в железе), либо занимать место в пространстве между узлами решетки (межузельное положение; например, углерод в железе).

В производстве микроэлектроники растворимость в твердом состоянии означает максимальную концентрацию примесей, которую можно поместить в подложку.

В твердых соединениях (в отличие от элементов) растворимость растворенного элемента может также зависеть от фаз, разделяющихся в равновесии. Например, количество Sn, растворимого в фазе ZnSb, может существенно зависеть от того, являются ли фазы, разделяющиеся в равновесии, (Zn ₄ Sb ₃ +Sn(L)) или (ZnSnSb ₂ +Sn(L)) ^[24] . Кроме того, соединение ZnSb с Sn в качестве растворенного вещества после достижения предела растворимости в зависимости от исходного химического состава в процессе синтеза может выделяться на другие комбинации фаз . Каждая комбинация обеспечивает разную растворимость Sn в ZnSb. Следовательно, исследования растворимости в соединениях, проведенные на основании первого наблюдения выделения вторичных фаз, могут недооценивать растворимость. ^[25] Хотя максимальное количество фаз, разделяющихся одновременно в равновесии, можно определить с помощью правила фаз Гибба , для химических соединений нет ограничений на количество таких комбинаций, разделяющих фазы. Следовательно, экспериментальное определение «максимальной растворимости» в твердых соединениях может быть затруднено, требуя уравновешивания многих образцов. Если доминирующий кристаллографический дефект (в основном дефекты внедрения или точечные дефекты замещения), участвующие в твердом растворе, можно заранее определить химически, то использование некоторых простых термодинамических принципов может значительно сократить количество образцов, необходимых для установления максимальной растворимости. ^[26]

Неконгруэнтное растворение

Многие вещества растворяются конгруэнтно (т.е. состав твердого вещества и растворенного вещества стехиометрически совпадают). Однако некоторые вещества могут растворяться инконгруэнтно , в результате чего состав растворенного вещества в растворе не соответствует составу твердого вещества. Эта солюбилизация сопровождается изменением «первичного твердого вещества» и, возможно, образованием вторичной твердой фазы. Однако, как правило, некоторое количество первичного твердого вещества также остается и устанавливается сложное равновесие растворимости. Например, растворение альбита может привести к образованию гиббсита . ^[27]

NaAlSi ₃ O ₈ (тв) + H ⁺ + 7H ₂ O ⇌ Na ⁺ + Al(OH) ₃ (тв) + 3H ₄ SiO ₄ .

Ожидается, что в этом случае растворимость альбита будет зависеть от соотношения твердого вещества и растворителя. Такого рода растворимость имеет большое значение в геологии, где она приводит к образованию метаморфических горных пород .

В принципе, как конгруэнтное, так и неконгруэнтное растворение может привести к образованию вторичных твердых фаз, находящихся в равновесии. Итак, в области материаловедения растворимость в обоих случаях описывается в более общем виде на фазовых диаграммах химического состава .

Прогноз растворимости

Растворимость представляет интерес во многих аспектах науки, включая, помимо прочего: прогнозы окружающей среды, биохимию, фармацевтику, разработку лекарств, агрохимический дизайн и связывание белков-лигандов. Растворимость в воде представляет фундаментальный интерес из-за жизненно важных биологических и транспортных функций, которые выполняет вода. ^{[28] [29] [30]} Кроме того, к этому явный научный интерес к растворимости в воде и воздействию растворителей; точные прогнозы растворимости важны в промышленности. Возможность точно предсказать растворимость молекулы представляет собой потенциально большую финансовую экономию в процессах разработки многих химических продуктов, таких как фармацевтика. ^[31] В фармацевтической промышленности прогнозирование растворимости является частью процесса оптимизации потенциальных лекарств на ранней стадии. Растворимость остается проблемой на протяжении всего пути к рецептуре. ^[31] Для таких прогнозов применялся ряд методов, включая количественные отношения структура-активность (QSAR), количественные отношения структура-свойство (QSPR) и интеллектуальный анализ данных . Эти модели обеспечивают эффективные прогнозы растворимости и представляют собой текущий стандарт. Недостаток таких моделей заключается в том, что им может не хватать физического понимания. Метод, основанный на физической теории и способный достичь аналогичного уровня точности при разумных затратах, мог бы стать мощным инструментом в научном и промышленном отношении. ^{[32] [33] [34] [35]}

Методы, основанные на физической теории, обычно используют термодинамические циклы — концепцию классической термодинамики . Два распространенных термодинамических цикла включают либо расчет свободной энергии сублимации (твердого тела в газ без перехода через жидкое состояние) и свободной энергии сольватации газообразной молекулы (газа в раствор), либо свободной энергии синтеза (твердого тела в расплавленную фазу) и свободную энергию смешения (расплавленный в раствор). Эти два процесса представлены на следующих диаграммах.

Термодинамический цикл расчета сольватации путем сублимации

Термодинамический цикл для расчета сольватации путем плавления

Эти циклы использовались для попыток предсказания первых принципов (решение с использованием фундаментальных физических уравнений) с использованием физически мотивированных моделей растворителей ^[33] для создания параметрических уравнений и моделей QSPR ^{[36] [34]} и их комбинаций. ^[34] Использование этих циклов позволяет рассчитать свободную энергию сольватации косвенно через газ (в цикле сублимации) или через расплав (цикл плавления). Это полезно, поскольку непосредственно вычислить свободную энергию сольватации чрезвычайно сложно. Свободную энергию сольватации можно преобразовать в значение растворимости, используя различные формулы, наиболее общий случай показан ниже, где числитель — это свободная энергия сольватации, R — газовая постоянная , а T — температура в кельвинах . ^[33]

${\displaystyle \log S(V_{m})={\frac {\Delta G_{\text{solvation}}}{-2.303RT}}}$

Хорошо известными подобранными уравнениями для прогнозирования растворимости являются общие уравнения растворимости. Эти уравнения взяты из работы Ялковского и др . ^{[37] [38]} Сначала приводится исходная формула, за которой следует пересмотренная формула, в которой используется другое предположение о полной смешиваемости с октанолом. ^[38]

${\displaystyle \log _{10}(S)=0.8-\log _{10}(P)-0.01({\text{melting point}}-25)}$

${\displaystyle \log _{10}(S)=0.5-\log _{10}(P)-0.01({\text{melting point}}-25)}$

Эти уравнения основаны на принципах термоядерного цикла.

Смотрите также

• Кажущееся молярное свойство  - Разница свойств одного моля вещества в смеси по сравнению с идеальным раствором.
• Система классификации биофармацевтики  - система дифференциации лекарств на основе их растворимости и проницаемости.
• Правило Дюринга  - Линейная зависимость между температурами, при которых два раствора оказывают одинаковое давление пара.
• Закон Фаянса-Панета-Хана  - химическое правило, касающееся соосаждения и адсорбции.Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
• Гибкая модель воды SPC  - аспект вычислительной химииPages displaying short descriptions of redirect targets
• Закон Генри  - Газовый закон относительно пропорциональности растворенного газа.
• Экстракция горячей водой  – метод чистки ковровPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• гидротроп
• Мицеллярная солюбилизация  - процесс включения солюбилизата в мицеллы или на них.
• Закон Рауля  - Закон термодинамики для давления пара смеси.
• Скорость растворения  – способность вещества растворяться в растворителе гомогенным образом.Pages displaying short descriptions of redirect targets
• Равновесие растворимости  - термодинамическое равновесие между твердым веществом и раствором одного и того же соединения.
• Уравнение Ван 'т-Гоффа  - Связь между температурой и константой равновесия химической реакции.

Примечания

1. Полярность растворителя определяется как его сольватная способность по Райхардту.

Рекомендации

1. IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «Растворимость». дои :10.1351/goldbook.S05740
2. Клагстон, М.; Флеминг, Р. (2000). Продвинутая химия (1-е изд.). Оксфорд: Оксфордское издательство. п. 108.
3. Дж. де Сваан Аронс и Г.А.М. Дипен (1966): «Газ — газовое равновесие». Журнал химической физики , том 44, выпуск 6, страница 2322. doi : 10.1063/1.1727043
4. Томлинсон, Чарльз (1 января 1868 г.). «О перенасыщенных солевых растворах». Философские труды Лондонского королевского общества . 158 : 659–673. дои : 10.1098/rstl.1868.0028. ISSN  0261-0523. S2CID  110079029.
5. Клаудиус Корманн, Детлеф В. Банеманн и Майкл Р. Хоффманн (1988): «Получение и определение характеристик диоксида титана квантового размера». Журнал физической химии , том 92, выпуск 18, страницы 5196–5201. дои : 10.1021/j100329a027
6. Аблер (2021): «В/В (Вес/Вес)». Онлайн-страница на сайте Abler.com. Доступ 26 ноября 2021 г.
7. И. Ли и Дж. Ли (2012): «Измерение соотношения смешивания и изменения объема бинарных смесей этанола и воды с использованием подвесных микроканальных резонаторов». ДАТЧИКИ , том 2012, стр. 1-3. doi : 10.1109/ICSENS.2012.6411272.
8. «Фармакопея Соединенных Штатов Америки, 32-я редакция, и Национальный формуляр, 27-е издание», 2009 г., стр. 1–12.
9. Роджерс, Элизабет; Стовалл, Ирис (2000). «Основы химии: растворимость». Кафедра химии . Университет Висконсина. Архивировано из оригинала 13 апреля 2015 года . Проверено 22 апреля 2015 г.
10. И.Я. Некрасов (1996). Геохимия, минералогия и генезис месторождений золота. Тейлор и Фрэнсис. стр. 135–136. ISBN 978-90-5410-723-1.
11. Хефтер, GT; Томкинс, RPT, ред. (2003). Экспериментальное определение растворимости . Уайли-Блэквелл. ISBN 978-0-471-49708-0.
12. Джон В. Хилл, Ральф Х. Петруччи, Общая химия , 2-е издание, Прентис-Холл, 1999.
13. П. Коэн, изд. (1989). Справочник ASME по водным технологиям для теплоэнергетических систем . Американское общество инженеров-механиков. п. 442.
14. Справочник по химии и физике (27-е изд.). Кливленд, Огайо: Издательство Chemical Rubber Publishing Co., 1943.
15. «Какие вещества, например сульфат церия, имеют меньшую растворимость при нагревании?». Научный американец . Проверено 28 мая 2014 г.
16. Сальваторе Филиппоне, Фрэнк Хейманна и Андре Рассат (2002). «Высокорастворимый в воде конъюгат 2+1 b-циклодекстрина и фуллерена». хим. Коммун. 2002 (14): 1508–1509. дои : 10.1039/b202410a. ПМИД  12189867.
17. Э. М. Гутман (1994). Механохимия поверхностей твердого тела . Всемирная научная издательская компания.
18. Г.В. Гринвуд (1969). «Растворимость газовых пузырьков». Журнал материаловедения . 4 (4): 320–322. Бибкод : 1969JMatS...4..320G. дои : 10.1007/BF00550401. S2CID  93098036.
19. Кеннет Дж. Уильямсон (1994). Макромасштабные и микромасштабные органические эксперименты (2-е изд.). Лексингтон, Массачусетс: округ Колумбия, Хит. п. 40. ИСБН 978-0-669-19429-6.
20. Индекс Merck (7-е изд.). Мерк и Ко. 1960.
21. Докумецидис, Аристид; Мачерас, Панос (2006). «Век исследований растворения: от Нойеса и Уитни до системы классификации биофармацевтики». Межд. Дж. Фарм . 321 (1–2): 1–11. doi : 10.1016/j.ijpharm.2006.07.011. ПМИД  16920290.
22. Эль-Манси, Мохамед и Яхия, Ибрагим С. и Альфаифи, Са. (2015). Конформационные и колебательные свойства красителя индиго: подход DFT. Органооптоэлектроника. Международный журнал. 3. 1-9.
23. К. Хоук; Р. Пост, ред. (1997). Химия, понятие и проблемы . Джон Уайли и сыновья. п. 121. ИСБН 978-0-471-12120-6.
24. Вуд, Максвелл; Торияма, Майкл; Дугар, Шристи; Мале, Джеймс; Ананд, Шашват; Стеванович, Владан; Снайдер, Джефф (2020). «Картирование фазовых границ легированного оловом ZnSb раскрывает термодинамический путь к высокой термоэлектрической эффективности». Передовые энергетические материалы . 11 (20). дои : 10.1002/aenm.202100181. S2CID  234807088.
25. Тан, Инлу; Ханус, Райли; Чен, Син-вэнь; Снайдер, Джефф (2015). «Разработка растворимости, обеспечивающая высокую эффективность недорогих скуттерудитов Ce-CoSb3». Природные коммуникации . 6 (7584): 7584. Бибкод : 2015NatCo...6.7584T. doi : 10.1038/ncomms8584. ПМЦ 4518255 . ПМИД  26189943. 
26. Ананд, Шашват; Вулвертон, Крис; Снайдер, Джефф (2022). «Термодинамические рекомендации по максимальной растворимости». Химия материалов . 34 (4): 1638–1648. doi : 10.1021/acs.chemmater.1c03715. S2CID  246516386.
27. ОМ Сэтер; П. де Каритат, ред. (1997). Геохимические процессы, выветривание и пополнение подземных вод на водосборах . Роттердам: Тейлор и Фрэнсис. п. 6. ISBN 978-90-5410-641-8.
28. Скайнер, Р.; МакДонах, JL; Жених, ЧР; ван Мурик, Т.; Митчелл, JBO (2015). «Обзор методов расчета свободной энергии решения и моделирования систем в растворе» (PDF) . Физ хим хим физ . 17 (9): 6174–91. Бибкод : 2015PCCP...17.6174S. дои : 10.1039/C5CP00288E . ПМИД  25660403.
29. Томази, Дж.; Меннуччи, Б.; Камми, Р. (2005). «Квантово-механические модели сольватации континуума». Химические обзоры . 105 (8): 2999–3093. дои : 10.1021/cr9904009. ПМИД  16092826.
30. Крамер, CJ; Трулар, Д.Г. (1999). «Модели неявной сольватации: равновесия, структура, спектры и динамика». Химические обзоры . 99 (8): 2161–2200. дои : 10.1021/cr960149m. ПМИД  11849023.
31. Абрамов, Ю.А. (2015). «Основной источник ошибок в прогнозировании QSPR внутренней термодинамической растворимости лекарств: вклады в твердом и нетвердом состоянии?». Молекулярная фармацевтика . 12 (6): 2126–2141. doi : 10.1021/acs.molpharmaceut.5b00119. ПМИД  25880026.
32. МакДона, JL (2015). Расчет растворимости в воде органических молекул, подобных лекарствам, и понимание гидрофобности (тезис). Университет Сент-Эндрюс. hdl : 10023/6534.
33. Палмер, DS; МакДонах, JL; Митчелл, JBO; ван Мурик, Т.; Федоров, М.В. (2012). «Первые принципы расчета собственной растворимости в воде кристаллических молекул, подобных лекарствам». Журнал химической теории и вычислений . 8 (9): 3322–3337. дои : 10.1021/ct300345m. hdl : 10023/25470 . PMID  26605739. S2CID  26334468.
34. МакДонах, JL; Нат, Н.; Де Феррари, Л.; ван Мурик, Т.; Митчелл, JBO (2014). «Объединение хеминформатики и химической теории для прогнозирования внутренней растворимости в воде кристаллических молекул, подобных лекарствам». Журнал химической информации и моделирования . 54 (3): 844–856. дои : 10.1021/ci4005805. ПМЦ 3965570 . ПМИД  24564264. 
35. Луши, А.; Полластри, Г.; Балди, П. (2013). «Глубокая архитектура и глубокое обучение в хемоинформатике: прогноз растворимости в воде молекул, подобных лекарствам». Журнал химической информации и моделирования . 53 (7): 1563–1575. дои : 10.1021/ci400187y. ПМЦ 3739985 . ПМИД  23795551. 
36. Ран, Ю.; Н. Джайн; С.Х. Ялковский (2001). «Прогнозирование растворимости органических соединений в воде с помощью общего уравнения растворимости (GSE)». Журнал химической информации и моделирования . 41 (5): 1208–1217. дои : 10.1021/ci010287z. ПМИД  11604020.
37. Ялковский, С.Х.; Вальвани, Южная Каролина (1980). «Растворимость и разделение I: растворимость неэлектролитов в воде». Журнал фармацевтических наук . 69 (8): 912–922. дои : 10.1002/jps.2600690814. ПМИД  7400936.
38. Джайн, Н.; Ялковский, С.Х. (2001). «Оценка растворимости в воде I: применение к органическим неэлектролитам». Журнал фармацевтических наук . 90 (2): 234–252. doi : 10.1002/1520-6017(200102)90:2<234::aid-jps14>3.0.co;2-v . ПМИД  11169540.

Внешние ссылки