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, 29/2003

Глава 6. Растворы

Вся наша жизнь связана с водой, точнее, с водными растворами самых различных веществ. Не существует ни одного факта, который говорит о возможности возникновения жизни без участия или без присутствия воды. Человек не может жить без воды.
Мы говорим «вода», но в действительности – это водные растворы. Даже если вода находится в металлическом сосуде, она содержит ионы этого металла, а это – раствор!

§ 6.1. Растворы, концентрация, растворимость

Вам обязательно в жизни встретятся задачи с расчетами концентрации раствора. В этом разделе вы вспомните старые и познакомитесь с новыми задачами, связанными с приготовлением растворов заданной концентрации. В тексте приведены примеры расчетов. На практике таких задач множество, поэтому в будущем вам придется их решать самостоятельно.

Раствор – однофазная термодинамически равновесная система, состоящая из смеси двух или большего числа веществ (компонентов). Это – научное определение понятия «раствор», все слова которого вам известны и смысл их ясен.
В растворе все его компоненты находятся в виде молекул, ионов или небольших ассоциатов – групп, скоплений, ансамблей частиц.
Иногда растворы рассматривают как фазы переменного состава, в которых соотношение веществ может быть изменено в определенных пределах без появления новых фаз.
Растворы могут быть жидкими, твердыми (кристаллические) и газообразными.
То вещество (компонент), которое находится в большем количестве по сравнению с другими, принято называть растворителем, а другие компоненты раствора называют растворенными веществами.
Важнейшей характеристикой раствора является его состав, который выражается концентрациями растворенных компонентов.
Пользуются различными способами выражения концентрации.
Отношение массы растворенного вещества (компонента) к массе всего раствора (всей системы) – есть массовая доля растворенного вещества. Если массовую долю умножить на 100, то это будет «процентная концентрация» (по массе). Например, 20%-й раствор – это раствор, в 100 г которого содержится 20 г растворенного вещества.
Сумма массовых долей всех компонентов и растворителя в том числе равна 1 или 100%.

Пример. В колбу с 300 мл воды насыпали 15 г хлорида натрия NaCl (поваренная соль). Раствор тщательно перемешали. Рассчитайте массовую долю соли в полученном растворе или процентную концентрацию раствора.

Решение
Массовая доля растворенного вещества равна отношению массы растворенного вещества к массе раствора. Масса соли равна 15 г. Масса раствора равна 300 + 15 = 315 г. Таким образом, массовая доля равна 15/315 = 0,048, а процентная концентрация – 0,048•100 = 4,8%.

Некоторые соли содержат в своем составе кристаллизационную воду, например медный купорос, или пятиводный сульфат меди CuSO₄•5Н₂О. При приготовлении растворов таких солей следует учитывать содержащуюся в них воду, которая при растворении соли переходит в раствор.

Пример. Для декоративного покрытия художественного изделия медью требуется приготовить 3 кг (~3 л) 2%-го раствора сульфата меди. Сколько граммов медного купороса CuSO₄•5Н₂О нужно взять?

Решение
Найдем количество безводного сульфата меди, требующееся для приготовления 3 кг 2%-го раствора.
В 100 г 2%-го раствора содержится 2 г сульфата меди; в 3 кг раствора: 3000•2/100 = 60 г CuSO₄.
При решении этой задачи нам понадобится знание мольных масс безводного и пятиводного сульфатов меди:

М(СuSО₄) = 64 + 32 + 4•16 = 160 г/моль;
М(CuSO₄•5Н₂О) = 64 + 32 + 4•16 + 5•18 = 250 г/моль.

Теперь рассчитаем, в каком количестве CuSO₄•5Н₂О содержится 60 г CuSO₄. Составляем соотношение:

Откуда х = 250•60/160 = 93,75 г CuSO₄•5Н₂О.

Определим количество воды, содержащееся в 93,75 г CuSO₄•5Н₂О:

Откуда y = 93,75•5•18/250 = 33,75 г Н₂О.

Требуется приготовить 3 кг довольно разбавленного раствора, поэтому не будем учитывать его плотность. В 3 кг раствора должно содержаться 60 г CuSO₄, но в воде растворено 93,75 г CuSO₄•5Н₂О, (что соответствует добавлению к воде 33,75 г Н₂О). В результате на это количество следует взять меньше воды при приготовлении раствора. Таким образом, поместим в колбу 93,75 г CuSO₄•5Н₂О и прильем 3000 – 93,75 = 2906,25 г или мл воды.

Сульфат меди применяют для приготовления минеральных красок, защиты растений от вредителей, при вирусных болезнях растений и др.

Попадались ли вам такие понятия: концентрация капитала, концентрация банков, концентрация производства, пищевые концентраты, концентрационные лагеря? Попытайтесь объяснить смысл этих понятий.

Расчеты по приготовлению растворов заданной концентрации вам понадобятся всегда. Рассмотрим несколько примеров таких расчетов.

Пример. Сколько граммов гидроксида калия КОН потребуется для приготовления 0,5 л 20%-го раствора?

Решение
В справочнике находим плотность 20%-го раствора КОН, она равна 1,176 г/мл при 20 °С. (В справочнике плотность приведена в г/см³. Объясните, зачем нам понадобилась плотность раствора. Почему ее необходимо использовать при решении подобных задач?) Определим массу 0,5 л 20%-го раствора КОН: 500•1,176 = 588 г. (Вы не забыли, что 20%-й раствор – это раствор, в 100 г которого содержится 20 г растворенного вещества?) В 588 г раствора содержится КОН: 588•20/100 = 117,6 г. Таким образом, следует взять 117,6 г КОН.

Концентрированные растворы щелочей (NаОН или КОН) используют для удаления красок с металлических поверхностей. Но помните, что попадание щелочи на кожу приводит к крайне болезненным и долго не заживающим язвам (ожогам).

Часто на практике встречаются задачи, связанные с необходимостью расчета количества воды, которое следует прибавить к раствору известной концентрации для получения раствора желаемой концентрации.

Пример. Сколько воды необходимо прилить к 100 мл 20%-го раствора КОН, чтобы получить 5%-й раствор?

Решение
Самый простой, но, к сожалению, ошибочный ответ – разбавить раствор в четыре раза (20/5 = 4). Посмотрим, насколько точен такой ответ. Для начала понадобится плотность 20%-го раствора КОН, она равна 1,176 г/мл. Масса 100 мл 20%-го раствора КОН составляет: 100•1,176 = 117,6 г.
В 117,6 г 20%-го раствора КОН содержится 117,6•20/100 = 23,52 г КОН. Таким образом, в искомом объеме 5%-го раствора должно содержаться 23,52 г КОН. Массу этого объема раствора КОН находим из соотношения:

Откуда х = 100•23,52/5 = 470,4 г раствора.

Следовательно, в 470,4 г 5%-го раствора должно содержаться то же количество КОН, которое содержится в 100 мл 20%-го раствора. Поэтому к 100 мл 20%-го раствора КОН следует прилить воды: 470,4 – 117,6 = 352,8 г или мл.

В химии наиболее часто пользуются мольными, или, что одно и то же, молярными, концентрациями. Мольная концентрация – это число молей растворенного вещества в 1 л раствора. Мольная концентрация равна отношению
– количество растворенного вещества (в молях) – к объему V раствора (в литрах):

с = /V моль/л.

Иногда мольная концентрация обозначается буквой М, например:
2М – двумольный (двумолярный) раствор, 2 моль/л;
1М – одномольный (одномолярный) раствор, 1 моль/л;
0,1М – децимольный (децимолярный) раствор, 0,1 моль/л;
0,01М – сантимольный (сантимолярный раствор), 0,01 моль/л.

В лабораторной практике обозначение концентрации буквой М используют для раствора, точное значение концентрации которого неизвестно, или не требуется для работы, или приблизительно кратно 10. В остальных случаях рекомендуется использовать общепринятое обозначение, например 0,0934 моль/л.
Как вы думаете, в чем состоит наибольшее преимущество использования мольных концентраций?

Ранее в научной литературе пользовались так называемыми нормальными концентрациями, которые обозначали буквой «н». Нормальная концентрация кислоты выражает концентрацию ионов водорода. Нормальная концентрация хлороводородной кислоты HCl совпадает с мольной концентрацией, т. к. при диссоциации этой кислоты образуется из одной молекулы HCl один ион водорода Н⁺. Но при диссоциации серной кислоты H₂SO₄ из одной ее молекулы образуются два иона водорода.
Если приготовить 1М раствор серной кислоты, то концентрация ионов водорода в таком растворе будет 2 моль/л. Чтобы иметь раствор серной кислоты с концентрацией ионов водорода 1 моль/л, следует приготовить такой раствор, который содержал бы в 1 л не 98 г (мольная масса) серной кислоты, а в два раза меньше, т. е. 49 г. Раствор, содержащий 49 г серной кислоты в 1 л раствора, и есть однонормальный раствор, 1н. Если в 1 л раствора серной кислоты содержится 4,9 г H₂SO₄, то это будет децинормальный раствор, 0,1н.
Нормальная концентрация раньше использовалась и для растворов фосфорной кислоты Н₃РО₄. Мольная масса фосфорной кислоты равна 98 (случайно такая же, как и серной кислоты). 1М раствор фосфорной кислоты содержит 98 г Н₃РО₄ в 1 л раствора и 3 моль/л ионов водорода (в связанном состоянии, т. к. фосфорная кислота – кислота средней силы). Следовательно, 1М раствор фосфорной кислоты одновременно является и 3н. раствором. Чтобы приготовить 1н. раствор фосфорной кислоты, следует взять 98/3 = 32,7 г Н₃РО и добавить воды до 1 л.
Позднее вы познакомитесь с еще одним способом выражения содержания вещества в растворе – мольная доля.

О.С.ЗАЙЦЕВ