Химия (стр. 8 )

3.1. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРОВ

3.1.1 Общие характеристики растворов

Раствором называют гомогенную систему переменного состава, состоящую из двух или более индивидуальных веществ. Вещества, образующие раствор называются растворитель и растворенное вещество, равномерно распределенное в растворителе в виде молекул или ионов. Если вещества находятся в разных агрегатных состояниях, то растворителем будет то вещество, которое не меняет своего агрегатного состояния, если вещества, составляющие раствор, имеют одинаковое агрегатное состояние (например, спирт и вода), то растворителем называют то из веществ, которого больше в растворе. Растворы бывают насыщенные, ненасыщенные, пересыщенные.

Растворение как физико-химический процесс

В зависимости от растворителя бывают водные и неводные растворы. При растворении происходит химическое взаимодействие частиц растворяемого вещества с молекулами растворителя, в результате чего образуются соединения, называемые сольватами. Если растворителем является вода, то эти соединения называют гидратами.

Общим между растворами химическими процессами являются:

- тепловые эффекты. Процесс растворения может сопровождаться как с выделением, так и поглощением теплоты;

- образование кристаллогидратов Молекулы воды настолько прочно могут связываться с частицами растворенного вещества, что при кристаллизации входит в состав твердой фазы. Эту воду называют кристаллизационной водой, а кристаллические образования - кристаллогидратами, состав которых выражают формулами Na2SO4×10H2O; CuSO4×5H2O и т. д.

Общим между растворами и физическими системами (механическими смесями) являются:

- переменный состав и сохранение индивидуальных физических свойств веществ (цвет, вкус, запах)

Растворимость веществ

Коэффициент растворимости вещества s - максимальная масса вещества, способная раствориться в 100 г воды при данной температуре с образованием насыщенного раствора.

Растворимостью также называют концентрацию вещества в его насыщенном растворе, или любой способ выражения состава насыщенного раствора при данной температуре.

Растворимость зависит:

1) от природы вещества

2) от природы растворителя

3) агрегатного состояния веществ

4) наличие посторонних примесей

5) температуры, для газов от давления.

Как правило, растворимость большинства твердых веществ при нагревании увеличивается.

Растворимость газов увеличивается при понижении температуры и зависит от давления газа над жидкостью.

3.1.2 Способы выражения состава растворов

Свойства раствора определяются качественным и количественным составом раствора. На практике количественный состав растворов чаще всего выражают при помощи следующих величин: а) массовая и объемная, не имеющие единиц величины; б) концентрация вещества,

1. Массовая доля растворенного вещества w выражается в долях единицы, процентах (%). Массовая доля численно равна отношению массы растворенного вещества к общей массе раствора:

(3.1)

Масса раствора равна сумме масс растворенного вещества и массе растворителя:

m (р-ра) = m (в-ва) + m (р-ля) (3.2)

2. Объемная доля растворенного вещества f выражается в долях единицы или процентах (%) и численно равна отношению объема жидкого или газообразного вещества, к общему объему раствора или смеси:

(3.3)

3. Концентрация вещества с(вещества). Единица СИ - моль/м3, внесистемные единицы величины: моль/дм3, моль/см3, моль/л, моль/мл. Численно равна отношению химического количества растворенного вещества к объему раствора :

(3.4)

Используя формулу: n(в-ва) = m(в-ва) /М преобразуем уравнение (4.4):

(3.5)

Пример 1. Какие массы хлорида натрия и воды нужно взять, чтобы приготовить 1 кг раствора с массовой долей соли 5 %?

Решение.

Из выражения (3.1) находим массу вещества: m(в-ва) = w(в-ва) × m(р-ра);

m(в-ва) = 1000 × 0,05 = 50 г.

Из выражения (4.2) находим массу растворителя (воды):

m (р-ля) = m (р-ра) - m (в-ва);

m (р-ля) = 1000 – 50 = 950 г.

Ответ: 50 г соли и 950 г воды.

Пример 2. К 300 см3 раствора (r= 1,07 г/см3) с массовой долей H2SO4 10 % добавили 180 г воды. Какой стала массовая доля кислоты в полученном растворе?

Решение. Находим массу раствора: m(р-ра) = V(р-ра) ×r;

m (р-ра) = 300 × 1,07 = 321 г.

Из выражения (3.1.) находим массу вещества: m(в-ва) = w × m(р-ра);

m(в-ва) = 321 × 0,1 = 32,1 г.

Масса раствора после добавления воды составила 321 г. + 180 г. =501 г.

Подставляя полученные значения в уравнение, выражающее массовую долю, получим:

Ответ: массовая доля H2SO4 в растворе 6,4 %.

Пример 3. Какую массу столового уксуса, в котором массовая доля СН3СООН 9 %, можно приготовить из 90 г уксусной эссенции с массовой долей СН3 СООН - 80 %?

Решение.

Из выражения (3.1) находим массу вещества уксусной кислоты: m(в-ва) = w2(в-ва) × m(р-ра) 2;

m(в-ва) = 90 × 0,8 = 72 г. Учитывая, что масса вещества в первом и втором растворе одинакова, из выражения (4.1) находим массу раствора уксусной кислоты (9%) :

Ответ: 800г.

Пример 4. Есть два раствора серной кислоты. Один с массовой долей H2SO4 60% и плотностью 1,5 г/см3, второй с массовой долей H2SO4 30 % и плотностью 1,22 г/см3.

а) Какова будет массовая доля H2SO4, если смешать по 100 см3 этих растворов?

б) Какой объем раствора с массовой долей H2SO4 30 % нужно добавить к 200 см3 раствора с w(H2SO4) = 60 %, чтобы в полученном растворе массовая доля H2SO4 составляла 40%?

Решение: а) Массовая доля H2SO4 в растворе, полученном при смешивании, будет равна:

w3(H2SO4) = w1(H2SO4) +w2(H2SO4)

w3(H2SO4) =

б) Пусть нужно взять V2 см3 раствора с w(H2SO4) = 30 %, тогда уравнение (3.1.), выражающую массовую долю H2SO4 в конечном растворе, примет вид:

w3(H2SO4) =

Ответ: а) 47%; б) 491,8 см3

Расчеты с кристаллогидратами

При растворении кристаллогидратов кристаллизационная вода становится частью растворителя. Другими словами при растворении CuSO4 . 5H2O (или другого кристаллогидрата) в воде получается раствор CuSO4 в воде, а не раствор СuSO4 . 5Н2О в воде.

Пример 5. Какие массы медного купороса и воды надо взять для приготовления 500 г раствора с массовой долей CuSO4 16 %? Какой станет массовая доля CuSO4, если к полученному раствору добавить 25 г CuSO4 . 5Н2О?

Решение.

М(CuSO4) = 160 г/моль, М(CuSO4 . 5Н2О) = 250 г/моль.

Из выражения (3.1) находим массовую долю CuSO4 в CuSO4 . 5Н2О: w = = 0,64 .

Если надо взять х г купороса, то w( CuSO4) = = 0,16, и х = 125 г.

Из выражения (3.2) находим массу воды нужно взять m(р - ля) = 500 - 125 = 375 г.

Если добавить 25 г CuSO4 . 5Н2О к полученному раствору, то массовая доля CuSO4 станет равной

w2 (CuSO4 ) =

Ответ: 125 г купороса и 375 г воды; 18,3 %

Массовая доля и концентрация вещества

Пример 6. Определить молярную концентрацию вещества (моль/дм3) в растворе с массовой долей фосфорной кислоты 60,8 % (ρ = 1,43 г/см3).

Решение. М(Н3РО4)=98 г/моль.

Вариант I

следующие значения :

1. Массу вещества выражаем из формулы (3.1) m(в-ва) = w × m (р-ра).

2. Объем раствора равен V (р-ра) = m (р-ра) / r (р-ра).

3. Массу вещества и объем раствора подставляем в выражение (3.5)

4. Масса раствора постоянна, она сокращается и мы получаем следующее выражение:

;

подставляем значения:

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

1.Какой объем раствора с массовой долей хлороводородной кислоты, равной 0,38 (плотности 1,19 г/см3) потребуется для приготовления 900 см3 раствора с массовой долей HCl = 12% (плотности 1,06 г/см3).

2.В 500 см3 воды (плотность 1,10 г/см3) находится 60,5 г гидроксида калия. Плотность раствора составляет 1,10 г/см3. Установите массовую долю и концентрацию щелочи в растворе.

3. Рассчитайте концентрацию серной кислоты в растворе, содержащей 15% этой кислоты и имеющего плотность 1,14 г/см3.

4.Смешали 250 см3 раствора плотности 1,03 г/см3 с концентрацией ортофосфорной кислоты 0,7 моль/дм3 и 300 см3 раствора плотности 1,08 г/см3 с концентрацией этого вещества 1,5 моль/дм3 Установите массовую долю ортофорсфорной кислоты в полученном растворе.

5.Какая масса кристаллогидрата потребуется для приготовления 1,5 дм3 раствора с массовой долей сульфата натрия равной 10% и плотности раствора 1,091 г/см3 ?

6.Какой объем раствора плотности 1,84 г/см3 с массовой долей серной кислоты, равной 94% потребуется, чтобы приготовить 2,5 дм3 раствора плотности 1,84 г/см3 с массовой долей этой кислоты равной 10%?