9.9. Розчинність

Ізольована система перебуває в рівновазі, коли її властивості, зокрема розподіл компонентів між фазами, залишаються сталими протягом тривалого часу.

Якщо система, що перебуває в рівновазі, складається з розчину й іншої фази, яка є одним із компонентів розчину у вигляді чистої речовини, то концентрація цієї речовини в розчині називається розчинністю даної речовини. Розчин у цьому випадку називають насиченим.

Наприклад, розчин бури за 0 °C, що містить 1,3 г безводного натрій тетраборату Na₂B₄O₇ у 100 г води, перебуває в рівновазі з твердою фазою Na₂B₄O₇·10H₂O (декагідратом натрій тетраборату); з часом ця система не змінюється, склад розчину залишається сталим. Розчинність Na₂B₄O₇·10H₂O у воді становить, отже, 1,3 г Na₂B₄O₇ на 100 г або, зважаючи на гідратаційну воду, 2,5 г Na₂B₄O₇·10H₂O на 100 г води.

Розчинність Na₂B₄O₇·10H₂O із підвищенням температури швидко зростає; за 60 °C розчинність сягає вже 20,3 г Na₂B₄O₇ на 100 г (рис. 9.11). Під час нагрівання системи до 70 °C і витримування протягом певного часу за цієї температури спостерігається нове явище — з'являється третя фаза — кристалічна, що має склад Na₂B₄O₇·5H₂O, а попередня кристалічна фаза зникає. За цієї температури розчинність декагідрату вища, ніж розчинність пентагідрату; розчин, насичений декагідратом, виявляється пересиченим відносно пентагідрату, і тому з такого розчину випадають кристали пентагідрату*. Далі йде процес розчинення нестійкої фази й кристалізації стійкої доти, доки нестійка фаза не зникне**.

У розглянутому випадку декагідрат менш розчинний, ніж пентагідрат, за температури до 61 °C, і він є, отже, стійкою фазою нижче від цієї температури. Криві розчинності цих двох гідратів перетинаються за 61 °C, причому вище від цієї температури пентагідрат стійкий у контакті з розчином.

Рис. 9.11. Розчинність натрій тетраборату у воді.

У стійкій твердій фазі, крім сольватації, можуть відбуватися й інші процеси. Так, ромбічна сірка в певних розчинниках менш розчинна, ніж моноклінна, за температур нижче від 95,5 °C, тобто нижче від температури взаємного перетворення цих двох форм; вище від зазначеної температури моноклінна форма менш розчинна. Принципи термодинаміки вимагають, щоб температура, за якої криві розчинності двох форм речовини перетинаються, була тією самою для всіх розчинників і водночас була температурою, за якої перетинаються криві тиску насиченої пари.

Розчинність речовини із підвищенням температури може збільшуватися або зменшуватися. З цього погляду переконливим прикладом править натрій сульфат. Розчинність Na₂SO₄·10H₂O (стійка тверда фаза нижче від 32,4 °C) дуже швидко зростає із підвищенням температури, збільшуючись від 5 г Na₂SO₄ на 100 г води за 0 °C до 55 г за 32,4 °C. Вище від 32,4 °C стійкою твердою фазою є Na₂SO₄; розчинність цієї фази швидко зменшується із підвищенням температури: від 55 г за 32,4 °C до 42 г за 100 °C (рис. 9.12).

Розчинність більшості солей із підвищенням температури зростає; розчинність багатьох солей (NaCl, K₂CrO₄) лише трохи змінюється із підвищенням температури; і лише деякі солі, наприклад Na₂SO₄, FeSO₄·H₂O і Na₂CO₃·H₂O, мають розчинність, що зменшується із підвищенням температури (рис. 9.12 і 9.13).

Рис. 9.12. Розчинність натрій сульфату у воді.

Рис. 9.13. Криві розчинності деяких солей у воді.

* Щоб викликати процес кристалізації, іноді до розчину необхідно додати "затравку" (невеликі кристалики речовини, яка розчинена в цьому розчині).

** Третій гідрат натрій тетраборату — керніт Na₂B₄O₇·4H₂O — має більшу розчинність, ніж два інші.