Лабораторная работа Растворимость веществ в воде. Свойства растворов

Цель работы

Ознакомление с физико-химической природой процесса растворения, растворимостью вещества, различными видами растворов, а также с основными свойствами растворов.

Оборудование и реактивы

Шпатель. Стеклянные палочки. Песчаные бани. Мерный цилиндр. Стакан. Криоскоп. Ацетат натрия (крист.). Хлорид кальция (крист.). Нитрат аммония (крист.). Сульфат натрия (крист.). Гидроксид натрия (крист.). Глицерин. Раствор хлорида натрия (10 % - ный). Охладительная смесь (лёд + соль).

Опыт 1. Тепловые эффекты при растворении

А.Стаканчик наполовину наполнить водой и добавить немного твёрдого гидроксида натрия. Перемешать содержимое пробирки стеклянной палочкой и измерить температуру раствора.

Б.Провести аналогичный опыт с нитратом аммония. Отметить самую низкую температуру.

В.Стаканчик наполнить водой на 1/3 её объёма и измерить температуру. Взвесить 2 – 3 г кристаллогидрата сульфата натрия и добавить навеску соли в пробирку. Осторожно помешивая раствор, наблюдать изменения температуры. Показания термометра отметить в лабораторном журнале.

Опыт 2. Пересыщенные растворы

Пересыщенный раствор ацетата натрия готовят из расчёта трёх объемных частей соли на одну объемную часть воды.

В большую пробирку поместить кристаллы ацетата натрия и добавить соответствующий объём воды. Содержимое пробирки нагреть на слабом пламени газовой горелки до полного растворения кристаллов соли. Охладить пробирку под струей холодной воды. Добавить к раствору несколько капель глицерина, способствующего образованию более крупных кристаллов. Внести несколько кристаллов ацетата натрия в охлажденный раствор и наблюдать процесс кристаллизации растворенного вещества. Отметить экзотермический характер процесса.

Повторно нагреть содержимое пробирки до полного растворения соли и охладить раствор. Вызвать выпадение кристаллов за счет трения стеклянной палочки о стенку пробирки.

Опыт 3. Изменение температуры замерзания и температуры кипения растворов.

А.Две пробирки, одна из которых заполнена наполовину водой, а другая – 10% - ным раствором хлорида натрия, поместить в стакан с охладительной смесью (лёд с солью). Отметить температуру замерзания воды и раствора хлорида натрия.

Б.Пробирку с водой, закрепленную в штативе над спиртовкой, нагреть до кипения и измерить температуру кипения воды. Убрать спиртовку и внести в пробирку один шпатель хлорида кальция. Вновь довести раствор до кипения и измерить температуру кипения раствора.

Сделать вывод о причине наблюдаемого изменения в температуре кипения полученного раствора.

5.2 Концентрация растворов. Приготовление водных растворов

Для качественной характеристики растворов используют понятия «разбавленный раствор» и «концентрированный раствор». Разбавленный раствор содержит мало растворенного вещества, концентрированный – много растворенного вещества. Между концентрированным и разбавленным растворами нет резкой границы, она условна. Разбавленный раствор может быть насыщенным, если вещество практически не растворяется в воде (например, насыщенные растворы AgCl,BaSO₄и т.д.). В то же время концентрированный раствор (например, сахарозы) может быть ненасыщенным, так как растворимость сахарозы равна 179 г при 0°С в 100 мл воды.

Количественный состав растворов выражается концентрацией. Концентрациейраствора называется количество растворенного вещества в определённом количестве раствора или растворителя.

В химической практике наиболее употребительны следующие способы выражения концентраций.

1. Массовая доля растворённого вещества– это отношение массы растворённого вещества Х к общей массе раствора:

,

где ω (Х) – массовая доля растворенного вещества Х, выраженная в долях единицы; m(X) – масса растворенного вещества Х, г;m– общая масса раствора, г. Массовую долю можно выражать также в процентах ( % ):

.

Если массовая доля растворенного хлорида натрия в растворе равна 0,03, или 3 %, то это означает, что в 100 г раствора содержится 3 г хлорида натрия и 97 г воды.

Зависимость между объемом (V) и массой раствора (m) выражается формулой

m=ρV,

где ρ– плотность раствора, г/мл;V– объем раствора, мл;m– масса, г.

2. Молярная концентрациявыражается числом молей растворённого вещества, содержащимся в 1 л раствора (моль/л). Концентрация, выраженная этим способом, называется мольно-объёмной концентрацией или молярностью и обозначается буквой М. Так, 2 МH₂SO₄означает растворH₂SO₄, в каждом литре которого содержится 2 моля, т.е. 2^. 98 = 196 гH₂SO₄.

3. Нормальностьвыражается количеством эквивалентов, растворённых в 1 л раствора (моль/л). Концентрация, выраженная этим способом, называется эквивалентной концентрацией или нормальностью и обозначается буквой «Н». Так, 2 НH₂SO₄означает растворH₂SO₄, в каждом литре которого содержится 2 эквивалента или 98 гH₂SO₄.

4. Моляльная концентрация– количество моль растворённого вещества, приходящее на 1 кг растворителя ( моль/кг ). Обозначается буквойm. Концентрация выраженная этим способом, называется мольно-массовой концентрацией или моляльностью. Так, 2mH₂SO₄означает раствор серной кислоты, в котором на 1кг воды приходится 2 моляH₂SO₄. Мольно-массовая концентрация раствора в отличие от его молярности не изменяется при изменении температуры.

5. Мольная доля– отношение количества моль данного вещества к общему количеству моль всех веществ, имеющихся в растворе. Концентрация, выраженная этим способом, обычно обозначается для растворителяN₁, для растворенных веществ –N₂,N₃и т.д. В случае раствора одного вещества в другом мольная доля растворенного веществаN₂равна

,

где n₁ иn₂– число молей растворителя и растворенного вещества соответственно.

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Пусть V₁л раствора вещества 1 с нормальностьюN₁реагирует сV₂л раствора вещества 2с нормальностьюN₂. Это означает, что в реакцию вступилоN₁V₁эквивалентов вещества 1 иN₂V₂эквивалентов вещества 2.

Так как вещества реагируют в эквивалентных количествах, следовательно,

N₁V₁=V₂N₂ илиV₁:V₂=N₂:N₁.

Таким образом, объёмы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

6. Титр Т– масса вещества, содержащегося в 1 мл раствора, г/мл:

.

Титр связан с нормальностью соотношением

,

где М_э– молярная масса эквивалента вещества.

Плотность растворов. Плотность раствора – это отношение его массы к объему, выражается в единицах г/см³и обозначается буквой.

Плотность раствора изменяется при изменении его концентрации. Она может быть определена при помощи пикнометра, ареометра, гидростатических весов и др.

Для быстрого определения плотности жидкости служит ареометр. Ареометр представляет собой запаянную стеклянную трубку, нижний конец которой заполнен дробью или ртутью. Внутри верхней части трубки имеется шкала, отградуированная в единицах плотности. Плотность жидкости соответствует тому делению шкалы, до которого погружается ареометр при испытании. От плотности раствора можно перейти к процентному содержанию, если в таблицах не имеется цифры, точно отвечающей сделанному отсчету на шкале ареометра, а есть близкие величины (немного больше и немного меньше). В таком случае процентное содержание растворенного вещества вычисляют методом интерполяции (определение промежуточной величины по двум известным крайним).

Предположим, что имеется раствор серной кислоты с плотностью 1,200. По таблице находим, что для растворов серной кислоты с плотностью 1,174 и 1,205 процентная концентрация соответственно равна 24 и 28 %.

Считаем, что процентное содержание изменяется прямо пропорционально изменению плотности. Разница плотности равна 1,205 – 1,174 = 0,031, а разница в процентном содержании составляет 28% - 24% = 4%.

Находим разницу между плотностью нашего раствора и плотностью раствора кислоты с меньшей концентрацией. Она равна 1,200 – 1,174 = 0,026.

Увеличение плотности на 0,031 соответствует увеличению процентного содержания на 4%, а увеличение процентного содержания, соответствующее увеличению плотности на 0,026, находим из пропорции

0,031 – 4%

0,026 – х

х = 3,35%.

Прибавляем к процентному содержанию кислоты в растворе с меньшей плотностью 3,35% и получаем искомое процентное содержание

24% + 3,35% = 27,35%.