4.1. Общие свойства растворов

ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ

Изучить и усвоить:

· лекцию «Общие свойства растворов» [Конспект лекций, раздел 4.1]

Цель выполнения задания

· Ознакомиться со способами выражения состава растворов.

· Научиться вести простейшие расчёты по приготовлению растворов.

· Рассмотреть причины, приводящие к изменению температур кипения и замерзания растворов, а также суть осмоса.

Теоретические сведения

Растворами называются гомогенные, самопроизвольно образовавшиеся системы переменного состава. Растворы состоят из растворителя и одного или нескольких растворённых веществ, особенно важное значение имеют водные растворы. Образование растворов ─ сложный физико-химический процесс, в котором наблюдаются как физические (непостоянство состава, диффузия), так и химические (образование неустойчивых соединений непостоянного состава) явления.

Вся совокупность процессов, приводящих к появлению растворяемого вещества в растворе, называется сольватацией. Если растворителем является вода, то говорят о гидратации.

Состав раствора выражается через соотношение растворителя и растворённого вещества. Ниже приводятся наиболее часто используемые способы выражения состава раствора.

Молярная концентрация:

Например, 0,1 M HCl. (4.1)

Массовая доля:

. (4.2)

Сумма: m₁ + m₂ = m _{раствора}

Моляльность:

(4.3)

Условные обозначения:

m₁ − масса растворителя, г; m₂ − масса растворённого вещества, г;

М₂ ─ молярная масса растворённого вещества, г/ моль; V ─ объём раствора, л.

Общими называют свойства растворов, которые зависят от концентрации и практически не зависят от природы растворённых веществ. При рассмотрении общих свойств растворов условно принимается, что растворённое вещество является нелетучим неэлектролитом, т.е. не испаряется и не диссоциирует на ионы.

Давление насыщенного пара растворителя (воды) над чистым растворителем повышается с ростом температуры (рис. 4.1). Условием кипения жидкости является равенство давления её насыщенных паров атмосферному давлению, вода закипает при 100 ⁰С.

Рис. 4.1. Схема, поясняющая понижение температуры замерзания и

повышение температуры кипения раствора

Ф. Рауль установил, что давление насыщенного пара растворителя над раствором нелетучего вещества ниже, чем над чистым растворителем, что приводит к повышению температуры кипения таких растворов:

(4.4)

где ΔТ _{кипения} − повышение температуры кипения, градус;

Е (Н₂О) − эбулиоскопическая постоянная воды, (градус · кг) / моль;

с_m − моляльная концентрация раствора, моль/кг.

Условием кристаллизации является равенство давления насыщенного пара над твёрдой и жидкой фазой. Над растворами давление пара ниже, чем над чистым растворителем и поэтому растворы замерзают при более низкой температуре (рис. 4.1). Понижение температуры замерзания пропорционально моляльной концентрации растворённого вещества (с _m ):

(4.5)

где ΔТ _{замерзания} − понижение температуры кипения, градус;

К (Н₂О) − криоскопическая постоянная воды, (градус · кг) / моль;

с_m − моляльная концентрация раствора, моль/кг.

Осмос ─ это диффузия вещества через полупроницаемую мембрану, через которую проходит растворитель, но не проходят растворённые вещества. Молекулы растворителя диффундируют из растворителя в раствор или из менее концентрированного раствора в более концентрированный, который разбавляется и высота его столба (h) увеличивается (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Схема осмометра

Внешнее давление, которое нужно приложить, чтобы осмос прекратился, называется осмотическим и обозначается π (или р_осмот.). Экспериментально было найдено, что осмотическое давление пропорционально молярной концентрации раствора (с_м) и температуре (Т, К):

π = c_м R T, (4.6)

где R ─ универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль·К).

Это уравнение называют законом Вант-Гоффа. В таком виде оно применимо только к растворам неэлектролитов.

ВЫПОЛНЕНИЕ ЗАДАНИЯ

Пример 4.1. Для приготовления 700 г раствора с массовой долей иодида калия 5 % необходимо растворить ___ граммов соли 1) 84 2) 50 3) 35 4) 65

Решение. Из формулы 4.2 следует, что

m₂ = (ω · m _{раствора} ) : 100 % = (5 % · 700 г) : 100 % = 35 г.

Правильный ответ 3.

Упражнение 4.1. Для приготовления 200 г раствора с массовой долей хлорида калия 8 % навеску соли необходимо растворить в ___ граммах воды

1) 84 2) 192 3) 184 4) 92

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 4.2. В растворе хлорида калия объёмом 1,0 л и концентрацией 0,01 моль/л содержится ___ граммов вещества

1) 0,75 2) 7,5 3) 0,075 4) 75

Решение. Молярная масса хлорида калия равна 75 г/моль. В соответствии с формулой 4.1:

m _KCl = C_M· V· M₂ = 0.01 моль/л · 1,0 л · 75 г/моль = 0.75 г.

Правильный ответ 1.

Упражнение 4.2. Молярная концентрация раствора сульфата натрия, в 50 мл раствора которого содержится 14,2 г данной соли, равна ________ моль/л

1) 0,02 2) 2 3) 0,2 4) 0,1

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 4.3. Рассчитать массу мочевины СО(NH₂)₂, необходимую для удаления с дорожного полотна льда массой, соответствующей 50 кг жидкой воды, если криоскопическая постоянная воды (КН₂О) равна 1,86 (градус · кг) / моль. Температура окружающей среды минус 5 ⁰С.

Решение. Понижение температуры Δ Т замерзания = 0 ⁰С ─ (─ 5 ⁰С) = 5 ⁰С.

Для расчёта воспользуемся формулой 4.5:

Упражнение 4.3. Для повышения температуры кипения раствора на 1,04 ⁰С, необходимо, чтобы концентрация растворённого в нём неэлектролита составляла ___ моль/кг

(Е ₍Н₂О₎) = 0,52 (град · кг)/моль)

1) 0,2 2) 2 3) 1 4) 0,1

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 4.4. Для понижения температуры замерзания раствора на 3,72 ⁰С, необходимо, чтобы концентрация растворённого в нём неэлектролита составляла ________ моль/кг (К (Н₂О) = 1,86 (град · кг)/моль) 1) 1 2) 2 3) 0,2 4) 0,1

Решение. Понижение температуры замерзания неэлектролита вычисляется по формуле 4.5:

Правильный ответ 2.

Упражнение 4.4. Раствор, содержащий 18 г глюкозы (М_r = 180) в 100 г воды замерзает при температуре _______ ⁰С (К (Н₂О) = 1,86 (град · кг)/моль)

1) + 1,86 2) 0,93 3) − 1,86 4) − 0,93

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Пример 4.5. Осмотическое давление раствора этанола с молярной концентрацией 1,0 моль/л при 25 ⁰С равно ____ кПа

1) 207,8 2) 2476 3) 247,6 4) 2078

Решение. В соответствии с формулой 4.6:

π = c_м R T = 1,0 моль/л · 8,31 Дж/(моль·К) · (273 + 25) К = 2476 Дж/л = 2476 кПа.

Правильный ответ 2.

Упражнение 4.5. Осмотическое давление раствора неэлектролита с молярной концентрацией 0,2 моль/л при 20 ⁰С равно __________ кПа

1) 487 2) 33.2 3) 332 4) 4870

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

ТИПОВЫЕ КОНТРОЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ

1. Моляльная концентрация растворённого вещества может быть выражена в

1) моль/кг 2) моль/л 3) г/моль 4) процентах

2. В 50 мл 1 М ZnSO₄ содержится ___ грамм(ов) вещества

1) 161 2) 8,05 3) 80,5 4) 16,1

3. Понижение температуры замерзания раствора неэлектролита может быть рассчитано по формуле:

1) ΔТ = i · К Н₂О ·c_m 2) p = с·R·Т 3) p = i ·с·R·Т 4) ΔТ = К Н₂О ·c_m

4. Уравнение р _осмот. = с·R·Т (закон Вант-Гоффа), характеризующее зависимость осмотического давления от концентрации и температуры, применимо

1) только к растворам сильных электролитов 2) к любым растворам

3) к растворам слабых электролитов 4) только к растворам неэлектролитов

5. Температура кипения ацетона 56 ⁰С. Если в 250 г ацетона растворить 6,4 г метанола (М_r = 32, Е _{ацетона} = 1,5 (град · кг)/моль), то температура кипения раствора составит

1) 55,4 2) 57,2 3) 54,8 4) 56,6

6. Температура замерзания раствора, содержащего 46 г глицерина (М_r = 92) в 250 г воды (К Н₂О = 1,86 (град · кг)/моль) равна _____ ⁰С

1) − 3,72 2) +3,72 3) − 0,186 4) − 0,93