Глава 5. Растворы

В главе рассматриваются основные способы выражения концентрации растворов, растворимость веществ, электролитическая диссоциация, ионообменные реакции в растворах и гидролиз солей. Материал сопровождается решением задач и упражнений, которые способствуют усвоению теоретического материала.

Смешивание двух веществ может сопровождаться: 1) химической реакцией между ними с образованием совершенно новых веществ; 2) образованием механической неоднородной смеси, которая легко разделяется на исходные вещества; 3) образованием раствора, который занимает промежуточное положение между химическими соединениями и механическими смесями.

В отличие от механической смеси, раствор однороден, то есть его состав по всему объему одинаков, так как за счет диффузии концентрация его компонентов по всему объему одинаковая. Таким образом, раствор – это однородная система из двух или более компонентов, состав которой можно изменять в определенных пределах без нарушения однородности.

В 19 столетии растворы считались физическими смесями, в которых отсутствуют какие-либо взаимодействия между растворителем и растворенным веществом. Д.И. Менделеев разработал (1887) химическую теорию растворов, которая рассматривает процесс образования растворов как химическое взаимодействие растворителя с растворяемым веществом. Продуктами этого взаимодействия являются особые соединения – гидраты (для водных растворов) или сольваты (для неводных растворов), которые отличаются от обычных соединений неопределенностью своего состава. Менделеев дал следующее определение раствора, которое сохраняет свое значение и в настоящее время: растворы представляют жидкие диссоционные системы, образованные частицами растворителя и растворенного вещества и тех неопределенных, но экзотермических соединений, которые образуются между ними.

1. Концентрация растворов

Важнейшей характеристикой раствора является содержание в нем растворенного вещества, которое называется концентрацией раствора. Концентрацию раствора выражают многими способами, но чаще всего применяются два способа.

1. Массовая доля растворенного вещества (w). Это отношение массы растворённого вещества к массе раствора. Например, 20%-й раствор гидроксида натрия – это такой раствор, в 100 кг (или г) которого содержится 20 кг (или 20 г) NaOH и 80 кг (или 80 г) воды.

Если растворенное вещество является жидким, то состав такого раствора может быть выражен не только в массовых, но и в объемных долях или объемных процентах. Объемная доля растворенного вещества (φ) – это отношение объема этого вещества к объему всего раствора. Например, если в 0,5 л раствора содержится 200 мл этанола, то его объемная доля равна 0,4, или 40 %.

2. Молярная концентрация (С_М) – это количество растворенного вещества в одном литре раствора. Например, в одном литре двумолярной (2 М) серной кислоты содержится 2 моль, то есть 196 г H₂SO₄, а в таком же объёме децимолярной (0,1 М) кислоты – 9,8 г H₂SO₄.

Плотность раствора отличается от плотности растворителя. Растворы неорганических соединений, молярная масса которых больше молярной массы воды (18 г/моль), имеют плотность больше плотности воды, причем с увеличением концентрации растворов их плотность увеличивается.

Взаимосвязь плотности и концентрации раствора выражается в виде таблиц.

C концентрацией растворов связано много различных расчётов, которые проводятся не только в химии и химической технологии, но и в других областях техники, в которых применяются растворы.

Пример 1. В 1 л воды растворено 160 г NaOH. Выразите двумя способами концентрацию раствора, плотность которого равна 1150 кг/м³.

Решение. При решении имеем в виду, что молярная масса NaOH равна 40 г/моль, объем 1 л – это 1000 мл, масса одного литра воды равна 1 кг (или 1000 г), а плотность 1150 кг/м³ – это 1,15 г/мл.

1) Определяем массу полученного раствора:

m = m(H₂O) + m(NaOH) = 1000 + 160 = 1160 = 11,16 кг

2) Находим объем раствора:

3) Вычисляем количество гидроксида натрия в растворе:

4) Определяем массовую долю растворенного вещества:

5) Находим молярную концентрацию раствора:

С_М = = 3,9655 моль/л

Пример 2. В 900 г воды растворили 100 г медного купороса CuSO₄∙5H₂O. Определите массовую долю сульфата меди в растворе.

Решение. 1) Молярная масса безводного сульфата меди равна 160 г/моль, а кристаллогидрата – 250 г/моль. Находим массу CuSO₄ в чистом виде в 100 г кристаллогидрата:

2) Находим массу раствора:

m = 900 + 100 = 1000 г

3) Определяем массовую долю сульфата меди в растворе:

Пример 3. Какие объемы воды и 40%-го раствора гидроксида натрия плотностью 1430 кг/м³ потребуются для приготовления 400 мл двумолярного раствора этой щелочи?

Решение. 1) Вычисляем массу NaOH, которая должна содержаться в 400 мл двумолярного раствора этой щелочи:

2) Находим массу 40%-го раствора, содержащего 32 г NaOH:

3) Вычисляем объем раствора:

4) Находим объем воды:

V(H₂O) = 400 – 56 = 344 мл