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, 32, 35/2003

§ 6.2. Общие свойства растворов

(продолжение)

Предложите простые способы экспериментального определения давления пара воды.
Самое удивительное обнаружится, если вместо сахарозы возьмем хлорид натрия NaCl и приготовим раствор с той же мольной долей растворенного вещества – 0,1. У этого раствора давление пара воды будет составлять около 1866 Па. Постарайтесь объяснить этот очень важный факт.
Возьмем теперь раствор хлорида кальция CaCl₂ с той же мольной долей (0,1) этого вещества. Давление пара воды этого раствора равно приблизительно 1633 Па. Объясните причину столь значительного понижения давления пара воды.
Продолжим эксперимент теперь с раствором хлорида алюминия с той же мольной долей. Окажется, что давление насыщенного пара воды над этим раствором будет составлять около 1400 Па.
Если вы обнаружили некоторую закономерность в изменении давления насыщенного пара воды над раствором от природы растворенного вещества, то предскажите давление пара воды над раствором сульфата алюминия Al₂(SО₄)₃ с его мольной долей, равной 0,1.

Ответ на ранее заданный вопрос об определении давления насыщенного пара воды. Эксперимент довольно прост. Через воду при заданной температуре продувается (пробулькивается) воздух, чтобы он насытился парами воды. Далее этот насыщенный парами воды воздух проходит через поглотительную склянку (или стеклянную трубку), заполненную веществом, поглощающим воду (безводные хлорид кальция СaCl₂, сульфат меди CuSO₄, пентоксид фосфора P₂O₅ и др.). Перед началом опыта поглотительная склянка взвешивается, затем через нее пропускается известный объем воздуха, насыщенный парами воды (выходит воздух, почти не содержащий паров воды), склянка снова взвешивается. По известным объему воздуха и массе поглощенной воды вычисляется давление пара воды.
Ответ на задачу о давлении пара воды над раствором сульфата алюминия Al₂(SО₄)₃ с мольной долей его 0,1. Давление пара должно быть равным около 1167 Па.

Если вы не смогли найти объяснения причин такой зависимости давления пара воды от природы растворенного вещества, то необходимо сделать следующее.
Составим таблицу с результатами эксперимента: мольная доля растворенного вещества N_В = 0,1, мольная доля воды = 0,9, температура t = 20 °С, давление насыщенного пара воды = 2333 Па.

Таблица

Обратите внимание, что разность двух ближайших значений давления пара постоянна и равна 233–234 Па. Это позволяет принять первую разность за 1 и все остальные разделить на 233. Мы получаем ряд чисел: 1, 2, 3, 4 и 5. Постарайтесь теперь найти объяснение полученному ряду чисел. Вспомните закон Рауля:

На некоторое время прервем наши дальнейшие рассуждения. В научном исследовании нельзя делать выводы на основании результатов только одного метода изучения, поэтому воспользуемся еще методом, связанным с электропроводностью. В чистую воду и растворы с той же мольной долей растворенного вещества опустим электроды и будем пропускать электрический ток. Вода и раствор сахарозы электрический ток почти не проводят, остальные растворы – хорошие проводники электрического тока.
Если сравнить электропроводность растворов СаCl₂ и NaCl, то окажется, что электропроводность раствора хлорида кальция примерно в два раза выше электропроводности раствора хлорида натрия той же концентрации. Это объясняется в два раза большей концентрацией хлорид-ионов в растворе СаCl₂ и в два раза большим зарядом иона Са²⁺ по сравнению с зарядом иона натрия Nа⁺.
Сравнение электропроводностей растворов AlCl₃ и NaCl показывает, что электропроводность первого раствора примерно в три раза выше, чем второго. Объяснение то же: в растворе хлорида алюминия содержится в три раза больше хлорид-ионов, чем в растворе хлорида натрия той же концентрации, и заряд иона алюминия Аl³⁺ в три раза выше заряда иона натрия Nа⁺.
Если принять электропроводность раствора хлорида натрия NaCl за единицу, то электропроводность раствора хлорида кальция СаCl₂ будет в два раза выше, а электропроводность раствора хлорида алюминия AlCl₃ – в три раза выше. Если вам понятна причина такого изменения электропроводности, предскажите, во сколько раз электропроводность раствора сульфата алюминия Al₂(SО₄)₃ будет больше электропроводности раствора хлорида натрия той же концентрации.
Представьте себе, что вы не знакомы с сильными электролитами или что вы находитесь на месте шведского химика и физика С.Аррениуса. То, что электропроводность воды и раствора сахарозы оказывается крайне низкой, говорит о том, что в воде и растворе сахарозы ничтожно мало частиц, способных переносить электрические заряды. Раствор хлорида натрия хорошо проводит электрический ток, следовательно, в растворе присутствуют частицы, переносящие электрические заряды.
Вы знаете, что хлорид натрия состоит из натрия, элемента с ярко выраженными металлическими свойствами, и хлора, элемента со столь же сильно выраженными неметаллическими свойствами. Электропроводность раствора хлорида натрия поэтому можно объяснить наличием в растворе заряженных частиц, ионов натрия и хлора. Хлорид-ион Cl^– имеет отрицательный заряд, такой же, как электрон. Вы знаете, что хлорид-ионы Cl^– – это анионы, тогда заряд ионов натрия положительный, т.е. ионы Nа⁺ – катионы.
Экспериментально несложно показать, что положительно заряженные катионы Nа⁺ передвигаются в растворе под действием электрического поля в сторону отрицательно заряженного электрода – катода, а отрицательно заряженные анионы Cl^– – в сторону положительно заряженного электрода – анода.
Теперь вам следует объединить знания, полученные в результате измерений электропроводности и давления пара воды над растворами.
Раствор сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ не проводит электрический ток, следовательно, в растворе число частиц этого вещества соответствует его концентрации. Раствор хлорида натрия проводит электрический ток, и давление пара воды над раствором в два раза меньше, чем над раствором сахарозы. Следовательно, в растворе хлорида натрия число частиц растворенного вещества в два раза больше по сравнению с их числом в растворе сахарозы. Мы говорим, что хлорид натрия в водном растворе полностью диссоциирует на ионы:

NaCl = Nа⁺ + Cl^–.

Примечание. В некоторых книгах процесс диссоциации на ионы называют ионизацией.

Давление пара воды над раствором хлорида кальция в три раза ниже, чем над раствором сахарозы. Это позволяет предположить, что в растворе хлорида кальция в три раза больше частиц по сравнению с раствором сахарозы той же концентрации. Такое возможно только при диссоциации одной молекулы хлорида кальция на три частицы:

СаСl₂ = Са²⁺ + 2Сl^–.

Этот вывод подтверждается тем, что электропроводность раствора хлорида кальция примерно в два раза выше электропроводности раствора хлорида натрия той же концентрации.
Аналогичные рассуждения можно применить и для растворов хлорида алюминия или сульфата алюминия. Пользуясь вышеприведенными данными, докажите правильность записанных вами уравнений диссоциации этих солей.
Подумайте, где можно воспользоваться рассмотренным приемом научного исследования для обработки полученных результатов и формулировки выводов.

О.С.ЗАЙЦЕВ