Сколько молекул Н2О нужно для полной гидратации 1 молек. H2SO4 в растворе?
Известно, что при разбавлении водой концентрированной серной кислоты происходит очень сильное разогревание смеси. При дальнейшем разбавлении разогрев постепенно уменьшается. Полной считается такая гидратация, когда дальнейшее добавление воды к раствору серной кислоты уже не приводит к дополнительному выделению теплоты. Понятно, что с одной молекулой серной кислоты работать трудно. Поэтому вопрос можно сформулировать так: "Сколько молей воды нужно для полной гидратации одного моля серной кислоты в растворе?"
Ответы (1):
Казалось бы, при полной диссоциации серной кислоты в очень разбавленных водных растворах, когда из одной молекулы кислоты образуются всего три иона, для их полной гидратации потребуется не так уж много молекул воды. Понятно, что непосредственно вокруг протона Н+ не поместится больше 12 молекул воды, но ведь каждая из этих молекул может притягивать следующие, образуя довольно объемистую "шубу" из молекул воды. Теплоты растворения серной кислоты в воде изучены с очень высокой точностью. И нужно посмотреть только, при каких разбавлениях прекращается дальнейшее выделение теплоты. Эти числа можно найти, например, в "Кратком справочнике физико-химических величин", в таблице "Интегральная теплота растворения кислот и щелочей в воде при 298 К". Из этой таблицы следует, что если воды немного, то теплота растворения быстро растет с увеличением числа молей воды на 1 моль кислоты. Так, если воды взять 1 моль, выделится 28 кДж, если три моля - 43 кДж (числа округлены, в справочнике до 0,01 кДж). Если пять молей - 54 кДж, 10 молей - 67 кДж, 100 молей - 73,97 кДж, наконец, 200 молей (о которых писал Руслан) - 74,94 кДж. Казалось бы, предел почти достигнут. Но до конца таблицы (и до конца тепловыделения) еще далеко: 500 молей воды на 1 моль кислоты - 76,73 кДж, 1000 молей - 78,58 кДж, 10 тысяч молей - 87,07 кДж, 50 тысяч молей воды - 92,34 кДж... А предел наступает при 96,19 кДж (по американским данным практически столько же). Это значит, что всего три иона координируют вокруг себя сотни тысяч молекул воды! Но это "всего" несколько десятков слоев из молекул воды в гидратных "шубах", потому что чем дальше от иона, тем больше молекул помещается на данном расстоянии.