Номер 45, страница 89 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

3.45. Почему изопропанол неограниченно смешивается с водой, но образует двухфазную систему с концентрированным раствором хлорида натрия?

Это явление объясняется различиями в характере и силе межмолекулярных взаимодействий в системах "изопропанол-вода" и "изопропанол-водный раствор $NaCl$".

Смешивание изопропанола с водой

Изопропанол (пропан-2-ол, $CH_3CH(OH)CH_3$) и вода ($H_2O$) являются полярными веществами. Ключевую роль в их смешивании играет наличие гидроксильной группы ($-OH$) в молекуле спирта. Атомы водорода этой группы, связанные с электроотрицательным кислородом, способны образовывать водородные связи с атомами кислорода молекул воды. В свою очередь, атомы водорода молекул воды образуют водородные связи с атомом кислорода в изопропаноле.

Эти водородные связи являются достаточно прочными межмолекулярными взаимодействиями. Энергия, затрачиваемая на разрыв связей между молекулами чистого спирта и чистой воды, компенсируется энергией, выделяющейся при образовании новых водородных связей между молекулами спирта и воды. В результате образуется гомогенный (однофазный) раствор при любых соотношениях компонентов.

Образование двухфазной системы с концентрированным раствором хлорида натрия

Когда в воде растворяют хлорид натрия ($NaCl$), он диссоциирует на ионы $Na^+$ и $Cl^-$. Эти ионы вступают в интенсивное взаимодействие с полярными молекулами воды. Молекулы воды окружают ионы, образуя гидратные оболочки. Этот тип взаимодействия называется ион-дипольным.

Ион-дипольное взаимодействие между ионами соли и молекулами воды является энергетически более выгодным и значительно более сильным, чем водородные связи между молекулами воды и изопропанола. В концентрированном растворе соли практически все молекулы воды оказываются связанными в гидратных оболочках ионов.

В результате возникает конкуренция за молекулы растворителя (воды). Ионы "оттягивают" молекулы воды от молекул изопропанола. Для изопропанола уже не хватает "свободных" молекул воды, чтобы оставаться в растворенном состоянии. Этот процесс называется высаливанием.

Система стремится к состоянию с минимальной энергией, что достигается путем разделения на две фазы (расслаивания):

• Нижняя, более плотная фаза – водный раствор хлорида натрия.
• Верхняя, менее плотная фаза – слой, состоящий преимущественно из изопропанола с небольшим количеством растворенной в нем воды.

Ответ: Изопропанол неограниченно смешивается с водой благодаря образованию между их молекулами водородных связей. В концентрированном растворе хлорида натрия молекулы воды вступают в более сильные ион-дипольные взаимодействия с ионами $Na^+$ и $Cl^-$, образуя гидратные оболочки. Эта сильная гидратация "отбирает" молекулы воды у изопропанола, приводя к резкому снижению его растворимости (эффект высаливания) и разделению смеси на две фазы.