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. Хлорид кальция. Нитрат аммония. Сульфат натрия. Гидроксид натрия. Глицерин. Раствор хлорида натрия (10 % - ный). Охладительная смесь (лед + соль).

Опыт 1. Тепловые эффекты при растворении

А. Пробирку наполовину наполнить водой и внести немного твердого гидроксида натрия. Перемешать содержимое пробирки стеклянной палочкой и измерить температуру раствора.

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

В. Пробирку наполнить водой на 1/3 ее объема и измерить температуру. Взвесить 2 – 3 г Na₂SO₄ ^. 10 H₂O и внести навеску соли в пробирку. Осторожно помешивая раствор, наблюдать изменения температуры. Показания термометра отметить в лабораторном журнале.

Опыт 2. Пересыщенные растворы

Пересыщенный раствор ацетата натрия CH₃COONa 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, нагреть до кипения и измерить температуру кипения воды. Убрать горелку и внести в пробирку один шпатель хлорида кальция CaCl₂. Довести раствор до кипения и измерить тем-пературу 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 – содержит 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, BaSO₄ и 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. Концентрацией раствора называется количество растворенного вещества в определённом количестве раствора или растворителя.

В химической практике наиболее употребительны следующие способы выражения концентраций.

1. Массовая доля растворенного вещества – это отношение массы раство-рённого вещества Х к общей массе раствора:

m(X)

ω (Х) = ———– ,

m

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 ( % ):

m(X)

ω (Х) = ———– . 100%.

m

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 и массой раствора ( m ) выражается формулой:

m = ρV,

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

Молярная концентрация – число молей растворенного вещества,

содержащееся в 1 л раствора ( моль/л ). Концентрация, выраженная этим способом, называется мольно-объёмной концентрацией или молярностью и обозначается буквой М. Так, 2 М H₂SO₄ означает раствор H₂SO₄ , в каждом литре которого содержится 2 моля, т.е. 2 ^. 98 = 196 г H₂SO₄ .

Нормальность – выражается числом эквивалентов, растворенных в 1 л

раствора ( моль/л ). Концентрация, выраженная этим способом, называется эквивалентной концентрацией или нормальностью и обозначается буквой «Н». Так, 2М H₂SO₄ означает раствор H₂SO₄, в каждом литре которого содержится 2 эквивалента или 98 г H₂SO₄ .

4. Моляльная концентрация – число молей растворенного вещества, приходящегося на 1000 г растворителя ( моль/кг ). Обозначается буквой «m». Концентрация выраженная этим способом, называется мольно-массовой концентрацией или моляльностью. Так, 2 m H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в котором на 1000 г воды приходится 2 моля H₂SO₄ . Мольно-массовая концентрация раствора в отличие от его молярности не изменяется при изменении температуры.

5. Мольная доля – отношение числа молей данного вещества к общему числу молей всех веществ, имеющихся в растворе. Концентрация, выраженная этим способом, обычно обозначается для растворителя N₁, для растворенных веществ – N₂, N₃ и т.д. В случае раствора одного вещества в другом мольная доля растворенного вещества N₂ равна

n₂

N₂ = ——– ,

n₁ + n₂

где n₁ и n₂ – число молей растворителя и растворенного вещества.

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть сме-шаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Пусть V₁ л раствора вещества 1 с нормальностью N₁ реагирует с V₂ л раствора вещества 2с нормальностью N₂. Это означает, что в реакцию вступило N₁V₁ эквивалентов вещества 1 и N₂V₂ эквивалентов вещества 2.

Но вещества реагируют в эквивалентных количествах, следовательно,

N₁V₁ = V₂N₂ или V₁: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:

m

Т = —– ,

V

Титр связан с нормальностью соотношением

н ^. m_э

Т = ——– ,

1000

где m_э – молярная масса эквивалента вещества.

Плотность растворов. Плотность раствора – это отношение его массы к объему, выражается в единицах г/см³ и обозначается буквой d.

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), то 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%.