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, 31/2003

§ 6.1. Растворы, концентрация, растворимость

(окончание)

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Эта задача для решения «в уме». В 96 г воды растворили 4 г поваренной соли. Чему равна процентная концентрация соли в растворе?

2. Концентрация сахара (сахарозы) в сиропе для варенья должна составлять 75%. Сколько сахара и воды следует взять для приготовления 3 кг сиропа?

3. Требуется приготовить 3 л 10%-го раствора хлорида натрия для засолки огурцов. Сколько поваренной соли и воды следует взять? Плотность раствора примите равной плотности воды.

4. Какую массу алюмокалиевых квасцов КАl(SO₄)₂•12H₂O следует взять для приготовления 1 л 3%-го раствора?

Растворы алюмокалиевых квасцов используются в качестве протравы при крашении тканей, для белого дубления кож и при приготовлении бумажной массы (чтобы жидкие чернила или водные краски не расплывались). Формулу КАl(SO₄)₂•12H₂O можно представить в виде K₂SO₄•Al₂(SO₄)₃•24H₂O.

5. Вы купили в магазине уксус с содержанием уксусной кислоты 9%. Для заправки овощных салатов или добавки к пельменям рекомендуется использовать 4%-й уксус. Как его приготовить?

6. У вас есть выпускаемый промышленностью 30%-й раствор пероксида водорода Н₂О₂. Иногда такой раствор называют пергидролем. Для различных целей, чаще всего медицинских (обработка ран вместо раствора йода), пользуются 3%-м раствором пероксида водорода. Если вы не знаете плотность 30%-го раствора пероксида водорода, то нужно взять определенный объем этого раствора, взвесить и вычислить его плотность. Какая масса 30%-го раствора пероксида водорода потребуется для приготовления 100 г 3%-го раствора?

7. Мольная масса пятиводного сульфата меди (медный купорос) CuSO₄•5Н₂О равна 250 г. Это количество вещества растворили в воде и получили 1 л раствора. Какова мольная концентрация раствора сульфата меди? Это же количество медного купороса растворили в воде, приливая воду до массы раствора 1000 г. Рассчитайте процентную концентрацию раствора.

В медицине раствор сульфата меди применяют в виде глазных капель. Его используют иногда как рвотное средство. Прием большой дозы сульфата меди может привести к сильному отравлению.

8. Какова масса хлорида натрия, необходимая для приготовления 0,250 мл 0,1М раствора?

9. Рассчитайте мольную концентрацию 20%-го раствора нитрата натрия NaNO₃. Плотность раствора равна 1,15 г/мл.

10. Рассчитайте мольную концентрацию 96%-й серной кислоты, плотность которой равна 1,8 г/мл.

11. Ради интереса рассчитайте массу солей, которая может образоваться, если испарить всю воду озера Байкал. Объем озера 23 000 км³. Общее содержание солей в озере не превышает 100 мг/л.

12. Воды Байкала богаты кислородом, содержание которого около 10 мг/л. Сколько кислорода (мл) можно выделить из
1 л байкальской воды при н. у.?

13. Переведите на русский язык.

One of the most urgent environmental problems in the world today is the shortage of clean water. There are large differences in per capita water consumption between different countries. A comfortable lifestyle (with flush toilets, washing machines and public swimming pools) uses a lot of water. A lavish lifestyle (with automatic car-wash machines, Jacuzzis and backyard swimming pools) uses many times more. The average Kenyan uses five liters of water a day; the average American uses 1,000.
Access to clean drinking water is a basic human right. But acid rain, industrial pollution and sewage dumping have made many sources of water undrinkable. Lakes, reservoirs and even entire seas have become vast pools of poison. Lake Baikal in Russia is one of the largest lakes in the world. It is also one of the most beautiful. The local people call it the Holy Sea. It contains a rich variety of animals and plants, including 1,300 rare species that do not exist anywhere else in the world. But they are being destroyed by the massive volumes of industrial effluent which pour into the lake every day.
Until very recently, environmental standards in the former Soviet states were much lower than in the West. Even where laws existed, the government did not have the power to enforce them. Most industries simply ignored the regulations. In the past few years, glasnost has given people greater freedom of speech. They are now free to protest about the pollution. Some factories are now disposing of their waste more responsibly. But many others still pour untreated industrial waste into the Holy Sea.

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Приготовление раствора заданной мольной концентрации.

Ни один человек не смог прожить свою жизнь, не приготавливая растворов. Какие растворы вы приготавливаете каждый день?

В этом опыте будем пользоваться мерными колбами. Мерная колба предназначена для приготовления раствора строго определенной концентрации (рис. 6.2). На узком горле мерной колбы нанесена кольцевая метка, которая соответствует указанной на колбе вместимости при температуре 20 °С. Колбу закрывают притертой стеклянной или резиновой пробкой. Нельзя закрывать колбу при приготовлении раствора пальцем. В мерную колбу помещают точно известное количество вещества и наливают воду до метки (по нижнему мениску жидкости). Зная объем раствора и массу вещества, рассчитывают концентрацию раствора.

Рис. 6.2. Мерная колба

Количество растворяемого вещества зависит от вместимости имеющейся мерной колбы. Предположим, у вас есть мерная колба на 100 мл. Вам требуется приготовить 1М раствор хлорида натрия. Мольная масса хлорида натрия равна 23,0 + 35,5 = 58,5 г. Если бы у вас была мерная колба вместимостью 1 л, то вы внесли бы такое количество соли в эту колбу и получили 1М раствор. Но у вас колба вместимостью 100 мл, поэтому вам следует отвесить в десять раз меньшее количество соли, т. е. 5,85 г.
Взвесьте часовое стекло (или листочек кальки). Взвешивание желательно производить с наибольшей точностью, до сотых долей грамма. Насыпьте на часовое стекло 5,85 г соли. Совершенно необязательно насыпать точно столько же, главное – знать точно массу соли, которую вы находите по разности масс чистого часового стекла и часового стекла с навеской соли.
Советую вам взвесить мерную колбу. Зачем?
Вставьте в горло колбы сухую воронку и через нее засыпьте отвешенное количество соли. Очень важно, чтобы соль не осталась на часовом стекле или на стенках воронки. Если вы сомневаетесь, что перенесли всю без остатка соль в мерную колбу, то взвесьте колбу с солью и вычислите массу соли. Для этого вам и рекомендовалось взвесить пустую колбу!
Налейте в колбу с навеской на 2/3 ее объема воды (дистиллированной) и, закрыв колбу пробкой, взбалтыванием вращательными движениями колбы растворите вещество. После этого долейте воды на 1 см ниже метки, закройте колбу пробкой и перемешайте раствор переворачиванием колбы несколько раз. Теперь каплями долейте воду в колбу точно до метки и снова перемешайте раствор.
Зная массу соли и объем раствора, рассчитайте мольную концентрацию полученного раствора. Предполагая, что плотность раствора равна плотности воды, вычислите процентную концентрацию раствора.

2. Приготовление растворов из стандарт-титров.

Методика приготовления таких растворов вам понадобится, если вы будете заниматься научной работой.

Очень удобно приготовлять растворы при помощи заранее точно отвешенных (или отмеренных) в стеклянные ампулы реактивов, называемых стандарт-титрами, или фиксаналами.
Стандарт-титр представляет собой стеклянную ампулу с количеством вещества, например, необходимым для приготовления 1 л точно 0,1М раствора. Ампулу разбивают, содержимое переносят в мерную колбу и объем раствора доводят водой до метки. Стандарт-титры могут содержать самые различные вещества – соли, кислоты или щелочи. На рис. 6.3 показано приготовление из них раствора.

Ампула 1, в которой запаяно предназначенное для растворения вещество, имеет с двух концов по углублению, которые разбивают специальными бойками 2 – стеклянная палочка с острым концом и утолщением посредине. Перед тем как приготовить раствор, с ампулы снимают этикетку (если она есть) и промывают ее наружную поверхность дистиллированной водой.
В мерную колбу 3 вместительностью 1000 мл вставьте воронку 4, а в нее – боек 2. Утолщение не позволяет бойку провалиться в колбу и одновременно препятствует попаданию в нее кусочков стекла разбитой ампулы. На боек в воронке поместите, придерживая рукой, ампулу. На верхний конец ампулы поставьте другой боек 2, придерживая его двумя свободными пальцами. Ударьте по верхнему бойку деревянным молоточком 5, чтобы пробить в ампуле сверху и снизу отверстия.
Не изменяя положения ампулы и ничего не вынимая из воронки, ампулу изнутри промойте струей дистиллированной воды из колбы 6. Затем промойте также стенки воронки и осколки стекла.
Далее долейте в колбу воды до 2/3 ее вместимости, закройте пробкой и раствор перемешайте вращательными движениями. Долейте в колбу воды примерно на 1 см ниже отметки 7, закройте колбу пробкой и перемешайте раствор, переворачивая ее вниз и вверх. Теперь по каплям долейте дистиллированную воду в колбу до метки и снова перемешайте содержимое колбы.
Если у вас была колба вместимостью 1000 мл, вы приготовили точно 0,1М раствор. Если же у вас была колба на 250 мл, то концентрация вашего раствора будет в 1000/250 = 4 раза больше, т. е. точно 0,4 моль/л. Если же вы воспользовались колбой на 100 мл, концентрация раствора будет равна точно 1 моль/л.

3. Определение растворимости хлорида натрия в воде.

Приготовьте 15–20 мл насыщенного раствора хлорида натрия (см. кривые растворимости, рис. 6.1, «Химия», 2003, № 31, с. 6). Вы увидите, что при комнатной температуре растворимость хлорида натрия составляет немногим меньше 40 г на 100 г воды. Плотность кристаллического хлорида натрия равна 2,16 г/см³. Если к 100 мл воды прибавить 40 г хлорида натрия, то приближенно объем раствора будет равен 40/2,16 + 100 = 118 мл (изменение объема при растворении не учитывается). Для приготовления 20 мл насыщенного раствора положите в химический стаканчик 8–10 г поваренной соли и прилейте 20 мл воды. Должно получиться около 25 мл раствора.
Для ускорения растворения стаканчик с раствором и осадком нерастворившегося хлорида натрия поместите в горячую воду и перемешивайте стеклянной палочкой в течение 5–10 мин. Затем выньте стаканчик с раствором (на дне должен остаться нерастворившийся хлорид натрия!) из горячей воды и дайте ему постоять 5–10 мин, чтобы температура раствора достигла комнатной.
Взвесьте маленькую фарфоровую чашку (или часовое стекло) и налейте в нее 3–4 мл раствора, стараясь, чтобы осадок ни в коем случае не попал в чашку. Следует как можно точнее отмерить объем раствора и записать не просто, например, 3 мл, а 3,64 мл. Это можно сделать при помощи маленького мерного цилиндра вместимостью 10 мл или калиброванной (с делениями) пипетки на 5 мл.
Калиброванная пипетка представляет собой стеклянную трубку с оттянутым нижним концом (рис. 6.4). Для наполнения пипетки (она должна быть сухой!) на ее верхний конец надевают резиновую грушу, а нижний конец (носик) опускают в жидкость, не касаясь поверхности осадка. Сжиманием груши из пипетки вытесняют такой объем воздуха, который после разжатия груши будет замещен жидкостью.

Наберите в пипетку нужный объем раствора. Выньте пипетку из раствора и запишите положение нижнего мениска жидкости (сотые доли миллилитра определяют делением на глаз одного деления шкалы (0,1 мл) на три части, т. е. на 0,03 мл). Поднесите пипетку к дну фарфоровой чашки и нажатием на грушу медленно выливайте жидкость, наблюдая за перемещением мениска. Когда вы отмерите приблизительно нужный объем жидкости, сразу, не разжимая грушу, чтобы в пипетку не засосало воздух, заметьте положение нижнего края мениска (сотые доли миллилитра!). По разности показаний уровней жидкости вычислите объем перенесенной в чашку жидкости.
Желательно взвесить чашку с раствором. Подумайте зачем.
Теперь чашку с раствором поставьте на электрическую плитку или песчаную баню и нагрейте для полного выпаривания воды (раствор не должен кипеть!). После удаления всей воды, снимите чашку с нагревателя и выдержите при комнатной температуре 10 мин, после этого чашку взвесьте. Через 5–10 мин взвешивание желательно повторить, чтобы убедиться в постоянстве массы чашки с кристаллами (может случиться, что вода не полностью удалена из кристаллов соли).
По разности масс чашки с кристаллами и пустой вычислите массу соли, содержавшейся в насыщенном растворе. Вы знаете объем раствора, массу раствора (выше вам рекомендовалось взвесить чашку с раствором) и массу содержащейся в растворе соли. Рассчитайте растворимость хлорида натрия в воде. Ход расчета может быть различным.

О.С.ЗАЙЦЕВ