Розчинність речовин і насичені розчини

Розчин — це однорідна (гомогенна) система, що складається з розчинника, розчиненої речовини та продуктів їхньої взаємодії. Однорідність означає, що склад і властивості однакові в усіх точках об'єму — на відміну від суспензій та емульсій, які ви вже вивчали. Розчинник — це компонент, якого в розчині більше або який має той самий агрегатний стан, що й утворений розчин. Наприклад, у водному розчині цукру розчинник — вода, а в йодній настоянці — спирт: йод, якого там значно менше, розчиняють саме в спирті (у воді він розчиняється погано).

Будова молекули води

Молекула води H₂O має кутову будову: два атоми Гідрогену сполучені з атомом Оксигену полярними ковалентними зв'язками, а кут між ними становить близько 104,5°. Оскільки Оксиген значно електронегативніший за Гідроген, спільні електронні пари зміщені до атома Оксигену. Унаслідок цього на атомі Оксигену виникає частковий негативний заряд (δ−), а на атомах Гідрогену — часткові позитивні заряди (δ+). Така нерівномірність робить молекулу води диполем. Крім того, між молекулами води утворюються водневі зв'язки — саме вони зумовлюють аномально високу температуру кипіння води порівняно з іншими сполуками подібної молекулярної маси.

Правило «подібне розчиняється в подібному»

Завдяки дипольній будові вода є полярним розчинником. Вона добре розчиняє йонні сполуки (NaCl, KNO₃) і полярні речовини (HCl, NH₃, цукор, етанол), тому що полярні молекули води «обволікають» йони або полярні молекули, долаючи сили притягання між ними. Натомість неполярні речовини (олія, бензин, молекулярний йод I₂) у воді розчиняються погано — молекули води «віддають перевагу» взаємодії між собою, а не з неполярними частинками. Однак йод чудово розчиняється в спирті — теж полярному розчиннику, але менш полярному, ніж вода. Це ілюструє загальне правило: подібне розчиняється в подібному.

Розчинення — фізико-хімічний процес

Розчинення не зводиться до простого перемішування — це фізико-хімічний процес, який супроводжується тепловим ефектом. Коли концентровану сульфатну кислоту H₂SO₄ змішують із водою, виділяється так багато теплоти, що суміш може закипіти. Саме тому кислоту завжди вливають у воду тонкою цівкою, а не навпаки: якщо лити воду в кислоту, вода на поверхні миттєво закипає й розбризкує кислоту. Інший приклад — амоній нітрат NH₄NO₃, який під час розчинення поглинає теплоту й помітно охолоджує розчин (це використовують у холодових пакетах). Також розчинення може змінювати забарвлення: білий безводний купрум(II) сульфат CuSO₄ під час розчинення у воді дає синій розчин — це ознака утворення гідратованих йонів Cu²⁺.

Розчинність — це маса речовини (у грамах), яка за даної температури розчиняється в 100 г води з утворенням насиченого розчину. Зверніть увагу: розчинність завжди відносять до 100 г води, а не до 100 г розчину. Наприклад, за 20 °C розчинність калій нітрату KNO₃ становить близько 32 г на 100 г води, а натрій хлориду NaCl — близько 36 г на 100 г води. Це означає, що за 20 °C у 100 г води можна розчинити не більше ніж 32 г KNO₃ або 36 г NaCl — усе, що понад цю масу, залишиться нерозчиненим.

Крива розчинності

Залежність розчинності від температури зображують графічно — кривою розчинності. На осі x відкладають температуру (°C), на осі y — розчинність (г речовини на 100 г води). Для KNO₃ крива круто піднімається: за 20 °C розчинність близько 32 г, а за 60 °C — уже близько 110 г на 100 г води. Для NaCl крива майже горизонтальна: від 36 г за 20 °C до 39 г за 100 °C — розчинність змінюється дуже слабко.

Як читати криву розчинності

Точка, що лежить на кривій, відповідає насиченому розчину за даної температури. Точка під кривою — ненасичений розчин: у такому розчині можна розчинити ще додаткову кількість речовини. Точка над кривою може означати дві ситуації: якщо показано загальну масу внесеної речовини (частина якої не розчинилася), то це насичений розчин із нерозчиненим надлишком; якщо ж уся речовина розчинилася, то утворився нестійкий пересичений розчин, який з часом або після додавання кристалика виділить надлишок речовини в осад. Перетин двох кривих розчинності на одному графіку вказує температуру, за якої розчинності обох речовин однакові.

Охолодження насиченого розчину

Якщо насичений за високої температури розчин охолодити, надлишок речовини викристалізовується. Наприклад, візьмемо 100 г води й наситимо її KNO₃ за 60 °C — розчиниться 110 г солі. Якщо охолодити цей розчин до 20 °C, розчинність знизиться до 32 г, тому 110 − 32 = 78 г KNO₃ випаде в осад у вигляді кристалів. Цей принцип використовують для очищення речовин перекристалізацією. Масову частку речовини в насиченому розчині обчислюють в окремому уроці курсу «Обчислення в хімії».

Класифікація за розчинністю

За розчинністю у воді речовини поділяють на три групи: розчинні (Р) — розчинність понад 1 г на 100 г води; малорозчинні (М) — від 0,001 до 1 г; практично нерозчинні (Н) — менше ніж 0,001 г. Саме такі позначки (Р, М, Н) і межі наведено в таблиці розчинності довідки НМТ. Пам'ятайте: «практично нерозчинна» не означає «зовсім не розчиняється» — будь-яка речовина розчиняється хоч трохи.

Розчинність речовин залежить від зовнішніх умов — температури й тиску. Однак ця залежність різна для твердих речовин, рідин і газів. Розберімося по черзі.

Вплив температури на тверді речовини

Для більшості твердих речовин підвищення температури збільшує розчинність. Одні речовини реагують на нагрівання дуже сильно — наприклад, KNO₃: його розчинність зростає від 32 г за 20 °C до 110 г за 60 °C. Інші — слабко: NaCl збільшує розчинність лише від 36 г до 39 г на 100 г води в інтервалі 20–100 °C. Але є важливий виняток — кальцій гідроксид Ca(OH)₂ (гашене вапно). Його розчинність з нагріванням зменшується: за 20 °C вона становить близько 0,17 г на 100 г води, а за 100 °C — лише близько 0,07 г. Тому насичений розчин Ca(OH)₂ під час нагрівання стає каламутним — надлишок гідроксиду випадає в осад.

Вплив температури на гази

Для газів залежність протилежна: під час нагрівання розчинність зменшується. Ви напевно помічали, що під час нагрівання води ще до кипіння з неї починають виходити дрібні бульбашки — це розчинене повітря виділяється, бо його розчинність у теплій воді нижча. У теплій воді менше розчиненого кисню — саме тому рибам у теплу пору року важче дихати, а в акваріумах воду влітку охолоджують. Газований напій у теплі швидко «видихається» — вуглекислий газ CO₂ залишає розчин.

Вплив тиску на гази

Розчинність газів прямо пропорційна тиску (закон Генрі): чим вищий тиск над розчином, тим більше газу розчиняється. Саме тому CO₂ нагнітають у газовані напої під тиском — у закритій пляшці газ розчинений, а коли ви відкриваєте її, тиск різко падає, і CO₂ виділяється бульбашками. На розчинність твердих речовин і рідин тиск практично не впливає — зміна настільки мала, що її не враховують.

Оптимальні умови для розчинення газів

Газ розчиняється найкраще за низької температури й високого тиску. Різні гази розчиняються у воді по-різному: амоніак NH₃ і хлороводень HCl розчиняються дуже добре (за 20 °C — близько 50 г NH₃ і 72 г HCl на 100 г води; в одному об'ємі води розчиняються сотні об'ємів цих газів), а кисень O₂ й азот N₂ — погано (близько 0,004 г і 0,002 г на 100 г води за 20 °C). Це пояснюється хімічною взаємодією: NH₃ та HCl реагують із водою, утворюючи йони, тоді як O₂ і N₂ — ні.

Ці дві пари понять — насичений / ненасичений і концентрований / розведений — часто плутають, хоча вони описують різні характеристики розчину. Розберімося раз і назавжди.

Насичений і ненасичений розчин

Насичений розчин — це розчин, який за даної температури більше не може розчинити додаткової кількості цієї речовини. Якщо кинути в нього кристалик, він залишиться незмінним — розчинення не відбудеться. Ненасичений розчин, навпаки, може розчинити ще додаткову порцію речовини. Найпростіший спосіб перевірити, насичений розчин чи ні, — додати кристалик за сталої температури й подивитися, чи він розчиняється.

Концентрований і розведений розчин

Концентрований і розведений — це відносні поняття, які описують, скільки розчиненої речовини міститься в розчині: багато чи мало. Вони не вказують, чи може розчин ще розчиняти речовину. Наприклад, розчин, у якому масова частка солі 30 %, — концентрований, а з часткою 0,1 % — розведений. Межа між ними нечітка й залежить від контексту.

Насиченість ≠ концентрація

Насичений розчин не обов'язково концентрований, а ненасичений — не обов'язково розведений. Класичний приклад — вапняна вода (насичений розчин Ca(OH)₂). Її розчинність за 20 °C становить лише близько 0,17 г на 100 г води, тобто розчин насичений, але дуже розведений. Навпаки, розчин 80 г KNO₃ у 100 г води за 60 °C є ненасиченим (розчинність за цієї температури — 110 г), однак він концентрований — солі в ньому багато.

Як зробити ненасичений розчин насиченим

Є три способи перетворити ненасичений розчин на насичений: додати ще розчиненої речовини (поки вона не перестане розчинятися); випарити частину розчинника (води) — тоді концентрація зросте до насичення; охолодити розчин (для більшості твердих речовин) — розчинність знизиться, і розчин стане насиченим. Для газів, навпаки, розчинність зменшується під час нагрівання та зниження тиску, тому ненасичений розчин газу стає насиченим, якщо його нагріти або знизити тиск (або розчинити в ньому додаткову порцію газу).

Кристалогідрати — це кристалічні речовини, до складу яких входять молекули води, що називається кристалізаційною водою. Ці молекули входять у кристалічну ґратку як структурні одиниці, а не просто як «волога» на поверхні. Кристалогідрати утворюються, коли солі кристалізуються з водних розчинів, і вода стає частиною кристала.

Приклади кристалогідратів

Найвідоміший кристалогідрат — мідний купорос CuSO₄·5H₂O. Це сині кристали, які містять п'ять молекул кристалізаційної води на одну формульну одиницю солі. Інші поширені приклади: кристалічна сода Na₂CO₃·10H₂O (десять молекул води), залізний купорос FeSO₄·7H₂O (сім молекул води) і гіпс CaSO₄·2H₂O (дві молекули води). У формулі кристалогідрату число молекул води пишуть після крапки: CuSO₄·5H₂O означає CuSO₄ + 5 H₂O.

Втрата кристалізаційної води

Під час нагрівання кристалогідрати втрачають кристалізаційну воду — цей процес називають зневодненням (кальцинацією). Наприклад, сині кристали CuSO₄·5H₂O під час нагрівання перетворюються на білий безводний порошок CuSO₄. Якщо до цього білого порошку додати воду, він знову синіє — утворюється CuSO₄·5H₂O. Цю реакцію використовують для якісного виявлення води: білий безводний CuSO₄ синіє в присутності води.

Важливо не плутати

Кристалогідрат — це не суміш солі з водою і не «волога сіль». Це хімічна сполука з певним складом, у якій молекули води входять до кристалічної ґратки. Наприклад, CuSO₄·5H₂O має власну молярну масу (249,7 г/моль), відмінну від молярної маси безводного CuSO₄ (159,6 г/моль). Кристалогідрати належать до індивідуальних речовин, а не до сумішей.

Приклад 1. Умови найбільшої розчинності газу

Завдання: За яких умов розчинність вуглекислого газу CO₂ у воді найбільша?

• 5 °C і 300 кПа

• 50 °C і 300 кПа

• 5 °C і 100 кПа

• 50 °C і 100 кПа

Розв'язання: Розчинність газів зростає зі зниженням температури та підвищенням тиску. Отже, найкращі умови — найнижча температура (5 °C) і найвищий тиск (300 кПа).

Відповідь: 5 °C і 300 кПа.

Чому інші варіанти неправильні: 50 °C і 300 кПа — висока температура зменшує розчинність газу; 5 °C і 100 кПа — низький тиск зменшує розчинність; 50 °C і 100 кПа — і висока температура, і низький тиск діють несприятливо.

Приклад 2. Ненасичений розчин за кривою розчинності

Завдання: Крива розчинності солі X показує: за 20 °C — 30 г, за 40 °C — 45 г, за 60 °C — 60 г на 100 г води. Який розчин є ненасиченим?

• 30 г солі X у 100 г води за 20 °C

• 45 г солі X у 100 г води за 40 °C

• 40 г солі X у 100 г води за 60 °C

• 50 г солі X у 100 г води за 40 °C

Розв'язання: Ненасичений розчин — це розчин, який ще може розчинити додаткову речовину. За 60 °C розчинність солі X становить 60 г на 100 г води. Розчин, що містить 40 г на 100 г води, лежить нижче кривої розчинності — він ненасичений.

Відповідь: 40 г солі X у 100 г води за 60 °C.

Чому інші варіанти неправильні: 30 г за 20 °C — точка на кривій, насичений розчин; 45 г за 40 °C — точка на кривій, насичений; 50 г за 40 °C — точка над кривою (розчинність за 40 °C — 45 г), надлишок 5 г випаде в осад.

Приклад 3. Насичений розчин Ca(OH)₂

Завдання: Яке твердження про насичений за 20 °C розчин Ca(OH)₂ правильне?

• Насичений розчин завжди концентрований

• Під час нагрівання в ньому розчиниться ще Ca(OH)₂

• У ньому розчиниться ще кристалик Ca(OH)₂

• Він насичений і водночас розведений

Розв'язання: Розчинність Ca(OH)₂ за 20 °C — лише 0,17 г на 100 г води. Це дуже мало, тому насичений розчин є водночас розведеним. Насиченість і концентрація — різні поняття.

Відповідь: Він насичений і водночас розведений.

Чому інші варіанти неправильні: насичений розчин не завжди концентрований (Ca(OH)₂ — контрприклад); під час нагрівання розчинність Ca(OH)₂ зменшується, тому розчинитися більше не може; насичений розчин більше не розчиняє кристаликів Ca(OH)₂.

Приклад 4. Формула мідного купоросу

Завдання: Яка формула відповідає мідному купоросу?

• CuSO₄

• CuSO₄·5H₂O

• FeSO₄·7H₂O

• Na₂CO₃·10H₂O

Розв'язання: Мідний купорос — це кристалогідрат купрум(II) сульфату, який містить п'ять молекул кристалізаційної води. Його формула — CuSO₄·5H₂O.

Відповідь: CuSO₄·5H₂O.

Чому інші варіанти неправильні: CuSO₄ — безводна сіль, білий порошок, а не сині кристали купоросу; FeSO₄·7H₂O — залізний купорос; Na₂CO₃·10H₂O — кристалічна сода.

• Вважають насичений розчин обов'язково концентрованим, а ненасичений — розведеним. Насправді насиченість і концентрація — різні характеристики. Приклад: насичений розчин Ca(OH)₂ дуже розведений, а ненасичений розчин 80 г KNO₃ у 100 г води за 60 °C — концентрований.

• Переносять залежність для твердих речовин на гази, хоча розчинність газів під час нагрівання зменшується. Запам'ятайте: тверді речовини здебільшого краще розчиняються в гарячій воді, а гази — у холодній.

• Вважають, що розчинність усіх твердих речовин зростає з нагріванням, забуваючи виняток Ca(OH)₂. Кальцій гідроксид поводиться «як газ» — його розчинність з нагріванням падає.

• Відносять розчинність до 100 г розчину, а не до 100 г води. Розчинність — це маса речовини, яка розчиняється в 100 г води (а не в 100 г розчину). Це різні величини!

• Вважають, що тиск помітно змінює розчинність твердих речовин. Насправді тиск істотно впливає лише на розчинність газів. Для твердих речовин і рідин цей вплив мізерний.

• Вважають кристалогідрат сумішшю солі з водою або «вологою сіллю». Кристалогідрат — це індивідуальна хімічна сполука, у якій молекули води входять до кристалічної ґратки, а не просто зволожують поверхню.

Тема «Розчинність речовин і насичені розчини» входить до розділу 1.6 програми НМТ з хімії. Програма вимагає знати: будову молекули води; поняття розчину, розчинника, розчиненої речовини, кристалогідрату; розчинність та її залежність від різних чинників; насичені й ненасичені, концентровані й розведені розчини. Головна вимога — аналізувати вплив будови речовин, температури й тиску (для газів) на розчинність.

Формат завдань

У першій частині тесту (завдання № 1–18) трапляються завдання з вибором однієї правильної відповіді з чотирьох (А–Г). Кожне таке завдання оцінюють у 0 або 1 бал. Типові сюжети: визначити умови найбільшої розчинності газу (низька температура, високий тиск); розпізнати тип розчину за кривою розчинності (насичений, ненасичений); обрати формулу кристалогідрату за назвою.

Завдання з короткою відповіддю

У демоваріанті НМТ 2026 року завдання № 22 (коротка відповідь, 0 або 2 бали без часткових) пропонує обчислити масову частку речовини в насиченому розчині за кривою розчинності. Правильно зчитати розчинність із графіка — це перший і найважливіший крок такої задачі. Якщо ви помилилися на етапі зчитування, уся відповідь буде неправильною.

Таблиця розчинності в довідці НМТ

Довідка НМТ містить таблицю розчинності з позначками Р (розчинна), М (малорозчинна), Н (практично нерозчинна), «—» (речовина не існує) і «#» (речовина існує, але реагує з водою, тому її розчинність визначити не можна). Ці позначки відповідають температурі 20–25 °C. Залежності розчинності від температури в таблиці немає — її завжди подають окремо: у вигляді кривої розчинності на графіку або числових даних в умові завдання.

• Розчинність — маса речовини (в грамах), яка розчиняється в 100 г води з утворенням насиченого розчину за даної температури.

• Тверді речовини: під час нагрівання розчинність здебільшого зростає. Виняток — Ca(OH)₂, розчинність якого з нагріванням падає.

• Гази: нагрівання розчинність зменшує, підвищення тиску — збільшує. Найкраще гази розчиняються за низької температури й високого тиску.

• Насичений не означає концентрований. Вапняна вода (насичений Ca(OH)₂) — насичена, але дуже розведена.

• Точка на кривій розчинності — насичений розчин, під кривою — ненасичений, над кривою — надлишок або пересичений розчин.

• Кристалогідрати: CuSO₄·5H₂O — мідний купорос (сині кристали), Na₂CO₃·10H₂O — кристалічна сода, FeSO₄·7H₂O — залізний купорос, CaSO₄·2H₂O — гіпс.