УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29, 30/2003

§ 6.1. Растворы, концентрация, растворимость

(продолжение)

Существуют вещества с неограниченной способностью растворяться друг в друге (например, серная кислота и вода или этиловый спирт и вода) и с ограниченной способностью. Для количественной характеристики одного вещества ограниченно растворяться в другом пользуются понятием растворимость, которая выражается концентрацией насыщенного раствора.
Насыщенный раствор получается, когда дальнейшее растворение данного компонента в растворе прекращается. В насыщенном растворе концентрация данного компонента максимальна при данных условиях. Насыщенный раствор всегда должен находиться в равновесии с кристаллическим компонентом (осадком). Концентрация этого компонента в растворе называется его растворимостью. Раствор, в котором концентрация этого компонента ниже его растворимости, называется ненасыщенным.
Раствор, в котором концентрация растворенного вещества выше его растворимости, называется пересыщенным. Такие растворы обычно получают при переохлаждении раствора ниже температуры, при которой он становится насыщенным.

Иногда говорят о растворении металлов, например натрия в воде или цинка в серной кислоте. Но мы будем называть растворением только такой процесс, при котором растворенное вещество можно выделить из раствора в его исходном состоянии такими простыми операциями, как выпаривание растворителя, перекристаллизация и т. п.

Растворимость удобно выражать в моль/л, однако часто ее выражают в процентах по массе, т. е. числом граммов растворенного вещества в 100 г насыщенного раствора. Иногда растворимость выражают числом граммов растворенного вещества, приходящихся на 100 г растворителя.

Пример. Растворимость хлорида натрия (поваренная соль) NaCl в воде при обычной температуре (20 °С) составляет 31,6 г в 100 г воды. Рассчитать содержание соли в 10 г насыщенного раствора хлорида натрия. (Обратите внимание: «в насыщенном растворе», а не «на 100 г воды»! Растворимость выражается массой соли, которая может быть растворена в 100 г воды с образованием насыщенного раствора.)

Решение
Определим массу воды в 10 г насыщенного раствора NaCl. Примем массу хлорида натрия в этом растворе за х г, тогда масса воды будет равна (10 – х) г.
Составим соотношение:

Отсюда 100/(10 – х) = 31,6/х, и х = 2,4 г хлорида натрия. Масса воды в этом растворе: 10 – 2,4 = 7,6 г.

Для большинства веществ растворимость значительно зависит от температуры. Для определения растворимости при разных температурах используют справочные таблицы или кривые растворимости (рис. 6.1).
Если приготовить насыщенный раствор при температуре t₂, содержащий m₂ г вещества на 100 г воды, а затем охладить до температуры t₁, при которой растворимость составляет m₁ г, то выпадет осадок (при условии, что не произошло переохлаждения и не образовался пересыщенный раствор) массой (m₂ – m₁) г.

Сколько граммов нитрата калия выпадет в осадок при охлаждении насыщенного при температуре 60 °С раствора нитрата калия в воде до температуры 20 °С (см. рис. 6.1.)?

Проще всего растворимость достаточно растворимых веществ определяется выпариванием определенного количества раствора и взвешиванием массы сухого остатка.

Пример. Рассчитать растворимость нитрата калия в воде при обычной температуре (20 °С), если при выпаривании 50 г насыщенного раствора масса сухой соли оказалась равной 13,02 г.

Решение
Масса нитрата калия в 100 г раствора равна 13,02•100/50 = 26,04 г. Эта масса нитрата калия приходится на 100 – 26,04 = 73,96 г воды в насыщенном растворе. Составляем соотношение:

Откуда х = 26,04•100/73,96 = 35,2 г. Это и есть растворимость, т. е. масса растворенного вещества в насыщенном растворе, приходящаяся на 100 г воды.

На различной растворимости веществ основан один из способов их очистки – перекристаллизация. Очистка сводится к растворению загрязненного вещества в подходящем растворителе при повышенной температуре и последующему выделению кристаллов очищаемого вещества из пересыщенного раствора при более низкой температуре.

Посмотрите на рис. 6.1. Какие вещества можно очищать перекристаллизацией? Можно ли этим приемом очистить хлорид натрия?

Насыщенный раствор, который остается после отделения выпавших кристаллов, называется маточным. Некоторое количество примесей может удалиться с осадком. При повторной перекристаллизации чистота вещества повышается.
Растворимость вещества, по существу, есть константа равновесия гетерогенного процесса перехода вещества из кристаллической фазы в раствор. В связи с этим по значениям растворимости при двух температурах легко рассчитать изменения энтальпии (тепловой эффект) и энтропии при растворении.
Пусть при температуре Т₂ растворимость вещества равна Р₂, а при температуре Т₁ растворимость равна Р₁. Составляем систему из двух уравнений c двумя неизвестными (Н и S):

Затем вычисляем Н и S.

Пример. Растворимость хлорида серебра в воде при температуре 10 °С равна 6,083•10^–6 моль/л,
а при 25 °С – 1,249•10^–5 моль/л. Рассчитать изменение энтальпии и энтропии при растворении хлорида серебра:

AgCl (кр.) = AgCl (р-р).

Решение
Составляем систему из двух уравнений:

Далее преобразуем:

Находим из первого уравнения:

Н_раств = 27 997,048 + 298,2•S_раств,

и подставляем во второе уравнение:

28 282,968 = 27 997,048 + 298,2•S_раств – 283,2•S_раств.

Определяем S_раств:

15S_раств = 285,920;

S_раств = 19,06 Дж/(К•моль).

Итак, мы получили положительное значение изменения энтропии при растворении хлорида серебра, показывающее, что при переходе хлорида серебра из кристаллического состояния в раствор (в виде ионов серебра и хлорид-ионов) происходит увеличение степени беспорядка в системе.
Находим изменение энтальпии, подставив значение S_раств = 19,06 Дж/(К•моль) в одно из уравнений, например:

Н_раств = 27 997,048 + 298,2•19,06 = 33 681 Дж/моль.

При растворении хлорида серебра в воде поглощается 33,68 кДж теплоты на 1 моль этого вещества.

Химический состав природных вод играет огромное значение в жизни человека. Для приготовления различных напитков
необходима вода, имеющая строго определенные содержания растворенных веществ.
Абсолютно нерастворимых веществ в природе не существует. Даже самая чистая на Земле вода озера Байкал содержит соли, которые вымываются из горных пород и почв втекающими в озеро реками. Дождь и вода растаявшего снега – не совершенно чистая вода, а вода, содержащая 10–20 мг растворенных веществ на 1000 г воды. Тем не менее такую воду вполне можно использовать в технических целях, когда требуется дистиллированная вода, например для приготовления раствора серной кислоты для автомобильного аккумулятора.
Если воду некоторое время выдержать в серебряном сосуде, в воде погибают почти полностью бактерии. Металлическое серебро растворяется в воде, а ионы серебра обладают сильным бактерицидным действием. В походных условиях полезно пить воду из серебряного (посеребренного) стакана. Использование серебряных столовых приборов при еде также очень полезно. Обеззараживает воду и хлорид серебра, хотя он практически нерастворим в воде. Такими растворами можно обрабатывать небольшие раны.
Природные воды отличаются составом и количеством растворенных веществ.
Концентрация органических веществ в речной воде составляет около 20 мг/л, в океанической – около 4 мг/л.

Перечислите источники органических веществ в природных водах.

Самая низкоминерализованная вода в мире – это вода озера Байкал, т. к. общее содержание неорганических солей в озере не превышает 100 мг/л.

Ни в коем случае не пытайтесь запомнить числовые данные, которые будут приводиться ниже. Постарайтесь сравнить состав некоторых вод.

Химический состав воды озера Байкал (мг/л):

Вода озера Байкал по вкусу похожа на дистиллированную. Обратите внимание, как мало хлорид-ионов, ионов железа в этой воде! Попытайтесь объяснить, почему в байкальской воде довольно много гидрокарбонат-ионов и ионов кальция.

Япония не раз предлагала покупать байкальскую воду и построить для этого трубопровод.
Некоторые сведения об озере Байкал. Возраст Байкала примерно 25 млн лет. Байкал – самый глубокий водоем на земном шаре, расположенный на континенте. Максимальная глубина – 1620 м. Объем озера – 23 000 км³. Воды Байкала прозрачны до 40 м. В Байкале содержится 1/5 мировых запасов пресной воды.

Озера, содержащие неорганические соли в количестве выше 35 г/л, относятся к минеральным. Насыщенный раствор этих озер называется рапой. Из-за повышенной вязкости высокоминерализованных вод распространение тепла от поверхности в глубь воды затруднено, поэтому летом верхний слой воды может нагреваться до температуры 50 °С, зимой вода может не замерзать даже при –20 °С.
Озеру Байкал можно противопоставить другое всемирно известное озеро – Мертвое море (Израиль, Иордания) недалеко от Иерусалима. В составе солей преобладают хлорид магния (52%) и хлорид натрия (30%), присутствуют также хлорид калия и бромид магния. Конечно, все эти вещества в водном растворе находятся в виде ионов, но когда говорят «хлорид магния», «хлорид натрия» и другие соли, то имеют в виду соли, образующиеся при выпаривании воды. Из-за высокой минерализации в водах Мертвого моря отсутствуют живые организмы, кроме некоторых бактерий (сохранившихся с древних эпох). Вода Мертвого моря и грязи побережья обладают высокими лечебными свойствами. Воздух моря насыщен парами брома и йода.

Вода Мертвого моря густая и маслянистая, как подсолнечное масло. Ходить по его дну без специальной обуви невозможно, т. к. оно усеяно острыми кристаллами солей. Вода выталкивает человека, поэтому плавать на животе следует очень осторожно – выталкивающая сила воды столь велика, что переворачивает человека, и из-за этого можно сломать позвоночник. На берегу недавно были построены всемирно известные курортные городки и усиленно строят новые. Говорят, что, работая ногами, человек плывет не вперед, а назад. Чтобы приготовить дома ванну с водой, состав которой близок к составу воды Мертвого моря, нужно в ванну бросить три мешка соли, залить водой и перемешать (говорят, что это невозможно).
Мертвое море расположено почти на 400 м ниже уровня моря. Глубина озера достигает 356 м. Питание озера осуществляется водами реки Иордан и несколькими другими мелкими речками. Окрестности озера известны тем, что в 1947 г. в пещерах пустынной местности Кумран на западном побережье Мертвого моря юноша кочевого племени бедуинов при поиске сбежавшей козы нашел глиняные сосуды с кожаными свитками древних рукописей, описывающих историческую обстановку (2000 лет назад) возникновения христианства. Эти рукописи названы кумранскими по месту их находки.

Представьте себе, что вы работаете в курортном агентстве. Вам требуется знать, на каких курортах лечат те или иные болезни. Это касается состава минеральных вод. Что вы скажете желающему поехать в Пятигорск или Кисловодск? Или, может быть, лучше далеко не ездить, а попить «московскую» минеральную воду?

Состав «московской» минеральной воды (г/л): 

Сравните состав «московской» минеральной воды с составом воды озера Байкал. Для этого найдите одинаковые ионы и выразите их концентрации в одних и тех же единицах измерения.

Кисловодск славится своими источниками нарзана. Ниже приведен химический состав нарзана (г/л) одного из источников Кисловодска:

Каково отличие воды «Нарзан» от «московской» минеральной?

Список новых и забытых понятий и слов

О.С.ЗАЙЦЕВ