Пособие-репетитор по химии

ЗАНЯТИЕ 8
10-й класс (первый год обучения)

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8/2006

Растворы

План

1. Определение понятия «растворы».

2. Классификация растворов (по агрегатному состоянию, размерам частиц, природе растворителя, содержанию растворенного вещества).

3. Сущность процесса растворения.

4. Растворимость различных веществ. Зависимость растворимости от внешних факторов.

5. Способы выражения концентрации растворов (массовая доля, объемная доля, молярная концентрация и др.).

6. Значение растворов.

7. Понятие о коллоидах.

Растворы – это гомогенные системы, состоящие из двух или более компонентов и продуктов их взаимодействия. Один из этих компонентов является растворителем, остальные – растворенными веществами.

По агрегатному состоянию можно выделить твердые, жидкие и газообразные растворы. Среди них наиболее распространены жидкие растворы, которые в свою очередь могут быть трех видов: твердое в жидкости (раствор сахара в воде), жидкость в жидкости (раствор серной кислоты в воде) и газ в жидкости (раствор кислорода в воде).

По размерам частиц растворенного вещества растворы подразделяют на истинные (размер частиц
< 1•10^–9 м) и коллоидные (размер частиц от 1•10^–9 до 1•10^–7 м). Отдельно выделяют суспензии, в которых размер частиц растворенного вещества > 1•10^–7 м.

В зависимости от природы растворителя выделяют водные растворы (растворитель – вода) и неводные растворы (растворители – бензин, эфир, бензол, толуол и т.д.).

По количеству растворенного вещества растворы подразделяют на ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные. В ненасыщенном растворе при данных условиях может раствориться еще какое-то количество вещества; в насыщенном растворе содержится ровно столько вещества, сколько его может раствориться при данных условиях; пересыщенный раствор (в нем содержание растворенного вещества выше растворимости) готовят путем охлаждения насыщенного раствора. Пересыщенные растворы неустойчивы, при их хранении избыток растворенного вещества выпадает в осадок, и раствор становится насыщенным.

Растворение – сложный физико-химический процесс. Физическая его часть – это разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворителя. Химическая сторона процесса растворения – взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества. В результате этого взаимодействия образуются сольваты – продукты переменного состава.

Частный случай сольватов – гидраты (если растворителем является вода). Процесс образования сольватов называется сольватацией, процесс образования гидратов – гидратацией.

Гидраты некоторых веществ можно выделить в кристаллическом виде при выпаривании растворов. Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называют кристаллогидратами: СuSО₄•5H₂О (медный купорос), FeSО₄•7Н₂О (железный купорос), Nа₂SO₄•10H₂О (глауберова соль), Nа₂CO₃•10H₂О (кристаллическая сода).

Впервые идею о химическом характере процесса растворения высказал Д.И.Менделеев в разработанной им химической (гидратной) теории растворов (1887). Доказательством физико-химического характера процесса растворения являются тепловые эффекты при растворении (выделение или поглощение теплоты). Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эффектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический – с выделением. Если в результате сольватации выделяется больше теплоты, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества, то растворение – экзотермический процесс (растворение NаОН, АgNО₃, Н₂SО₄). Если при сольватации выделяется меньше теплоты, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества, то растворение – эндотермический процесс (растворение NаNО₃, КCl, NН₄Сl).

Растворимость – величина, показывающая, сколько граммов вещества может раствориться в 100 г растворителя при данных условиях (или в 1000 мл растворителя). По растворимости в воде все вещества делятся на хорошо растворимые (более 10 г вещества на 1 л воды), малорастворимые (от 0,01 г до 10 г вещества на 1 л воды) и практически нерастворимые (менее 0,01 г вещества на 1 л воды). Растворимость веществ зависит от природы растворителя, природы растворенного вещества, температуры и давления (для газов). Растворимость большинства твердых веществ при повышении температуры увеличивается. Растворимость газов при повышении температуры уменьшается, а при повышении давления увеличивается.

Зная растворимость вещества при данных условиях, легко рассчитать его массовую долю в растворе, и наоборот.

Пример 1. Растворимость KNO₃ при 30 °С составляет 450 г в 100 г воды. Отсюда массовая доля равна:

Пример 2. При 30 °C (KNO₃) = 81,8%. Следовательно, в 100 г раствора содержится 81,8 г KNO₃ и 18,2 г H₂O. Составим пропорцию:

81,8 г KNO₃ – 18,2 г Н₂О,

х г KNO₃ – 10 г Н₂О.

Отсюда растворимость соли KNO₃ х = 450 г в 100 г H₂O.

К основным типам выражения концентрации растворов можно отнести массовую долю, объемную долю и молярную концентрацию.

Массовой долей растворенного вещества называется отношение массы растворенного вещества к массе раствора:

Объемной долей j растворенного вещества называется отношение объема вещества к объему всего раствора:

Молярной концентрацией с называется отношение количества растворенного вещества (в моль) к объему раствора (в л):

Помимо перечисленных основных типов выражения концентрации растворов существуют и другие.

Мольная доля N – отношение количества растворенного вещества к сумме количеств всех веществ, находящихся в растворе:

Моляльная концентрация, или моляльность, m – отношение количества растворенного вещества к массе растворителя:

Нормальность н. или эквивалентная концентрация с_н – отношение числа эквивалентов Э растворенного вещества к объему раствора:

Массовая концентрация – отношение массы растворенного вещества к объему раствора:

Титр раствора Т – масса растворенного вещества (г), содержащаяся в 1 мл раствора:

Растворы имеют огромное биологическое значение, поскольку являются средой для протекания сложных физико-химических процессов в живых организмах. Растворами являются физиологические жидкости – плазма крови, лимфа, желудочный сок и др. В медицине применяют водные растворы солей, которые по составу соответствуют плазме крови (физиологический раствор). Многие медицинские препараты являются растворами различных веществ в воде или спирте.

Велико также значение растворов в быту, промышленности и в технике.

Коллоидный раствор – высокодисперсная двухфазная система, состоящая из дисперсионной среды и дисперсной фазы, причем линейные размеры частиц последней лежат в пределах от 1 до 100 нм. Коллоид кажется однородной системой и занимает промежуточное положение между взвесью и истинным раствором. Примерами коллоидных растворов являются желе, кисель, пена, туман.

Тест по теме «Растворы»

1. Смесь хлорида бария и карбоната натрия обработали раствором гидросульфата натрия. Образовались осадок X и газ Y. Сумма молярных масс для X и Y равна (в г/моль):

а) 44; б) 277; в) 233; г) 197.

2. Молярность 2 л раствора, содержащего 4 г гидроксида натрия, равна (в моль/л):

а) 1; б) 2; в) 0,1; г) 0,05.

3. В колбе емкостью 200 мл находится раствор хлорида натрия, концентрация которого составляет 0,1 моль/л. Если из колбы отлить 50 мл, то концентрация оставшегося раствора составит (в моль/л):

а) 0,2; б) 0,1; в) 0,075; г) 0,025.

4. В 120 мл ( = 1,2 г/мл) 15%-го раствора вещества растворили еще 12 г этого же вещества. Массовая доля вещества во вновь полученном растворе составляет (в %):

а) 28; б) 23,3; в) 21,5; г) 19,8.

5. Слили два раствора одного и того же вещества: 160 г 15%-го и 140 г 12%-го. Массовая доля вещества во вновь полученном растворе составляет (в %):

а) 29,1; б) 25,5; в) 13,6; г) 11,2.

6. Для получения 15%-го раствора нужно в 365 г 5%-го раствора соляной кислоты растворить следующий объем (н.у.) хлороводорода (в л):

а) 32,46; б) 26,35; в) 15,83; г) 10,15.

7. В 240 мл воды растворили 69 г натрия. После окончания реакции массовая доля продукта в растворе составляет (в %):

а) 50,9; б) 38,8; в) 39,2; г) 28,7.

8. Смешали 730 г 30%-го раствора соляной кислоты и 400 г 20%-го раствора едкого натра. Массовые доли кислоты и соли в полученном растворе будут равны соответственно (в %):

а) 12,92 и 10,35; б)14,32 и 11,45;

в) 13,76 и 10,97; г) 11,23 и 9,85.

9. Для получения 8%-го раствора в 820 г 5%-го раствора сернистой кислоты нужно растворить следующий объем (н.у.) сернистого газа (в л):

а) 7,17; б) 12,42; в) 15,12; г) 20,36.

10. Истинный раствор не может состоять из:

а) одного компонента; б) двух компонентов;

в) трех компонентов; г) четырех компонентов.

Ключ к тесту

Задачи на основные способы выражения концентраций раствора
(массовая доля, объемная доля, молярная концентрация)

Массовая доля

1. Имеется смесь, содержащая серную и азотную кислоты. Определить массовую долю каждой кислоты, если на нейтрализацию 10 г этого раствора расходуется 12,5 мл 19%-го раствора гидроксида калия ( = 1,18 г/мл), а при добавлении к 10 г такого же раствора избытка хлорида бария образуется 2,33 г осадка.

Ответ. 9,8% HNO₃ и 18,9% H₂SO₄.

2. К 50 г 5%-го раствора хлорида бария добавили 50 г 5%-го раствора серной кислоты. Определить массовые доли соединений, содержащихся в конечном растворе, и число молекул воды в нем.

Ответ. 0,9% HСl и 1,36% Ba₂SO₄; 3,18•10²⁴.

3. Колбу наполняют сухим аммиаком (101,3 кПа, 17 °С). Затем колбу опускают в воду при тех же условиях, и вода по мере растворения аммиака полностью заполняет колбу. Определить массовую долю гидроксида аммония в полученном растворе (плотность воды при данных условиях принять
1 г/мл).

Ответ. 0,147%.

4. Определить массовую долю ортофосфорной кислоты в растворе, полученном при растворении 35,5 г фосфорного ангидрида в 150 мл 85%-го раствора фосфорной кислоты ( = 1,7 г/мл).

Ответ. 91,5%.

5. Определить массовую долю сульфата меди(II) в растворе, полученном при растворении 50 г медного купороса в 450 мл воды.

Дано:

m(CuSO₄•5H₂O) = 50 г,

V(H₂O) = 450 мл.

Найти:

(CuSO₄).

Решение

M(CuSO₄•5H₂O) = 250 г/моль;

(CuSO₄•5H₂O) = m/M = 50/250 = 0,2 моль;

(CuSO₄) = (CuSO₄•5H₂O) = 0,2 моль;

m(CuSO₄) = (CuSO₄)•M(CuSO₄) = 0,2•160 = 32 г.

m(H₂O) = V(H₂O)•(H₂O) = 450•1 = 450 г;

m(р-ра) = m(CuSO₄•5H₂O) + m(H₂O) = 50 + 450 = 500 г;

Ответ. 6,4%.

6. Какую массу натрия надо растворить в 500 мл воды для получения 20%-го раствора щелочи?

Ответ. 64,6 г.

7. Какой объем аммиака (н.у.) надо растворить в 200 г 10%-го раствора гидроксида аммония, чтобы получить 15%-й раствор нашатырного спирта?

Ответ. 6,9 л.

8. К 250 мл раствора едкого кали, содержащего 10% (по массе) гидроксида калия и имеющего плотность 1,08 г/мл, добавили 5,85 г калия. Определить массовую долю растворенного вещества в полученном растворе.

Ответ. 12,84% KOH.

Молярная концентрация

1. Для полного осаждения свинца в виде хлорида из раствора, содержащего 33,1 г нитрата свинца, потребовалось 50 мл соляной кислоты. Определить молярную концентрацию раствора соляной кислоты.

Ответ. 4 моль/л.

2. Плотность 26%-го раствора гидроксида калия составляет 1,24 г/мл. Определить молярную концентрацию раствора гидроксида калия.

Ответ. 5,76 моль/л.

3. Раствор гидроксида натрия объемом 8,25 л с молярной концентрацией 0,2 моль/л выпаривали до тех пор, пока плотность раствора не составила 1,1 г/см³, при этом массовая доля щелочи составила 15%. Каков объем полученного раствора?

Дано:

V₁(р-ра) = 8,25 л,

с₁ = 0,2 моль/л,

₂(р-ра) = 1,1 г/см³,

₂(NaOH) = 15%.

Найти:

V₂(р-ра).

Решение

с = /V;

₁(NaOH) = c₁•V₁ = 0,2•8,25 = 1,65 моль.

m₁(NaOH) = ₁(NaOH)•M(NaOH) = 1,65•40 = 66 г.

При выпаривании масса NaOH не изменилась, поэтому m₂(NaOH) = m₁(NaOH) = 66 г.

m₂(р-ра) = m₂(NaOH)/₂(NaOH) = 66/0,15 = 440 г.

V₂(р-ра) = m₂(р-рa)/₂(р-ра) = 440/1,1 = 400 см³ = 400 мл.

Ответ. 400 мл.

4. Какой объем шестимолярного раствора соляной кислоты нужно взять для приготовления 25 мл 2,5M раствора соляной кислоты?

Ответ. 10,4 мл.

5. Чему равна молярная концентрация концентрированной серной кислоты, имеющей плотность
1,84 г/мл?

Ответ. 18,77 моль/л.

Другие способы выражения концентрации растворов

1. Для определения концентрации раствора нитрата калия 200 мл этого раствора упарили, полученный остаток высушили и прокалили до постоянной массы. При прокаливании выделилось 0,224 л газа (н.у.). Определить нормальность исходного раствора соли.

Ответ. 0,1н.

2. Имеется смесь карбоната и гидрокарбоната натрия. На нейтрализацию 20 мл раствора этой смеси пошло 5 мл однонормального раствора гидроксида натрия. После упаривания полученного раствора и высушивания остатка на воздухе до постоянной массы получено 2,86 г кристаллической соды. Найти состав исходной смеси.

Ответ. 44,2% NaHCO₃ и 55,8% Na₂CO₃.

3. Определить титр раствора гидроксида калия, если известно, что при нейтрализации этой щелочи к 10 мл ее раствора было добавлено 15 мл 1н. раствора серной кислоты. Однако кислота оказалась в избытке, и для ее нейтрализации пришлось добавить 1 мл 0,1М раствора гидроксида натрия.

Ответ. 0,08344 г/мл.

4. Определить титр 0,1н. раствора нитрата алюминия.

Ответ. 0,0071 г/мл.