Лабораторна робота № 6 розчини. Закони ідеальних розчинів.

Розчинами називають гомогеннi системи змiнного складу, якi знаходяться у станi хiмiчноϊ рiвноваги (ΔG = 0). Процес розчинення вiдбувається самодовiльно (ΔG<0).

Способи вираження концентрацiй розчинiв

Позначимо маси компонентiв g_i г; ϊх суму g_i; кiлькiсть молей компонентiв n_i ; їх суму n_i ; молярнi маси M_i, г/моль; об’єм розчину V, л; еквiвалентну масу M_Еi , г/моль.

1. Масова доля ω_i  вiдношення маси речовини до маси розчину . Якщо масова доля виражена в процентах, її називають масовими процентами, або процентною концентрацiєю:

Процентна концентрацiя чисельно дорiвнює кiлькостi грамiв речовини в 100 г розчину.

2. Мольна доля N_i - вiдношення числа молей речовини до суми числа молей всiх компонентiв:

де

3. Молярна концентрацiя, або молярнiсть дорiвнює числу молей розчиненоϊ речовини в 1 л розчину:

Розчини з молярнiстю 1 і 0,1… моль/л називаються одномолярними, децимолярними i т.п. Скорочено записують так: 1M розчин NaOH, 0,1M розчин HCl тощо.

4. Молярна концентрацiя еквiвалентiв (нормальнiсть) С_Nі – число еквiвалентiв речовини (n_Еі = g / M_Еі ) в одному лiтрi розчину

Розчини, якi мiстять в 1 л 1; 0,1… еквiвалента розчиненої речовини, називаються однонормальними, децинормальними вiдповiдно.

Згiдно з законом еквiвалентiв речовини реагують без залишку, якщо

C_NIV_I = C_N2V₂. Це вiдношення використовується в об’ємному аналiзi, тобто при визначеннi концентрацiї речовини вимiрюванням об’єму реагуючих речовин.

5. Моляльнiсть, або моляльна концентрацiя  C_mi (m_i)_, n_i  число молей речовини в 1кг розчинника:

де g – маса розчинника,г; 1000  коефіцієнт перерахунку г у кг.

6. Титр розчину по речовині (Т_і) дорiвнює масi речовини, яка мiститься в 1 мл розчину:

Можна записати:

де  - густина розчину, г/мл, а  виражена у відсотках.

Приклад 1. Розрахувати титр, нормальнiсть, моляльнiсть, мольну долю i молярну концентрацiю 20%-ого розчину HСl (r = 1,1 г/мл).

Розв’язок.

1. Т(HCI)  ?

Т(HCI) = r ×  = 0,20 × 1,1 = 0,22 (г/мл).

2.C_N(HCI)  ?

а) T(HCI) = C_N(НСІ) ×M_Е(НСІ) / 1000, звiдси

C_N(НСI) = Т(HCI)^. 1000/M_Е(НСІ) = 0,22 × 1000/36,5 = 6,03 моль/л;

б) 1 л 20%-го розчину має масу 1000 × 1,1 = 1100 г, в ньому мiститься. 1100 ^. 20 / 100 = 220 г HCl або 220 / 36,5 = 6,03 еквiвалента HCl, тобто

C_NHCl = 6,03 моль/л.

3. С_m(HCI)  ?

На 80 г води припадає 20г НCl, або 20 / 36,5 моль HCl, звідси моляльна концентрацiя розраховується згідно з формулою:

4. C_N(HCI) - ?

5.C_M(HCI)  ?

Відповідь: Т(HCI) = 0,22 (г/мл), C_N(HCI) = 6,03 моль/л; C_M(HCI) = 6,03 моль/л; С_m(HCI) = 6,85 г/1000 г Н₂О; N(HCI) = 0,11.

Приклад 2. Скiльки мiлiлiтрiв 12%-го розчину натрiй гідроксиду ( = 1,135 г/мл) потрiбно для приготування 210 мл 4,5%-го розчину NaOH ( = 1,05 г/мл)?

Розв’язок:

1. m (210 мл розчину NaOH)  ?

m = V ^.  = 210 мл ^. 1,05 г/мл = 220,5 г

2. m (NaOH) у 220,5 г розчину  ?

100 г розчину  4,5 г NaOH;

220,5 г розчину  х г NaOH;

х = (220,5 × 4,5)/100 = 9,9 г NaOH.

3. m (12% розчину NaOH), необхiдна для приготування кінцевого розчину  ?

100 г 12%-го розчину – 12 г NaOH;

x г 12%-го розчину  9,9 г NaOH;

x = (100 × 9,9)/12 = 82,8 г 12%-го розчину NaOH.

4.V (12%-го розчину NaOH), необхiдний для приготування кінцевого розчину  ?

V = m/ = 82,5 / 1,135 = 71,7 (мл.)

Відповідь: для приготування кінцевого розчину необхідно 71,7 мл вихідного розчину.

Закони iдеальних розчинiв.

Ідеальним називається розчин, в якому взаємодією між компонентами розчину можна нехтувати, при цьому Н = 0, V = 0. До них наближуються розчини органічних речовин з близькими фізичними і хімічними властивостями (наприклад, розчин бензен-толуен) і дуже розбавлені розчини неелектролітів (наприклад, розчин цукру у воді).

При розчиненнi в леткому розчиннику нелеткої речовини поверхня випаровування зменшується, i тиск пари над таким розбавленим розчином буде тим меншим, чим бiльше концентрацiя нелеткого компонента. Кiлькiсно це можна виразити за допомогою тонометричного закону Рауля:

вiдносне зниження тиску насиченої пари розчинника над розчином дорiвнює мольнiй долi розчиненої речовини.

Так, якщо Р_о – тиск пари над чистим розчинником, Р – тиск пари над розчином, Nв – мольна доля розчиненої речовини, то

Де Р = Р_о – Р – зниження тиску пари над розчином.

Приклад 3. Визначити тиск пари над розчином (Р), який містить 34,23 г цукру С₁₂Н₂₂О₁₁ у 45,05 г води при 65 С, якщо тиск пари води при цій температурі (з таблиці) дорівнює 2,5 ^.10⁴ Па.

Розв’язок:

1. N (Н₂О)  ?; N (С₁₂Н₂₂О₁₁)  ?

М (Н₂О) = 18 г/моль; М (С₁₂Н₂₂О₁₁) = 342,3 г/моль;

N (Н₂О) = 45,05/18 = 2,5 моля; N (С₁₂Н₂₂О₁₁) = 34,23/342,3 = 0,1 моля.

2. Р (тиск пари води над розчином)  ?

Використовуючи тонометричний закон Рауля, визначимо Р:

_{Р = Р  Р}_2,5^.₁₀⁴ _{ 2,5}^.₁₀⁴.=_2,5^.₁₀⁴ _{ 0,96} ^.₁₀⁴ _{= 2,4 10}⁴ _(Па).

_{Відповідь: Тиск пари води над розчином цукру дорівнює 2,4} ^.₁₀⁴ _Па.

В лінійній залежностi вiд тиску насиченої пари розчинника над розчином перебуває температура кипiння i замерзання розчину. Цю залежність виражає

ебулiоскопiчний i крiоскопiчний закони Рауля : збiльшення температури кипiння i зниження температури замерзання розчинiв пропорцiональнi їх концентрацiям. t_кип = K_eб ^. С_m; t_зам = К_кр ^. С_m

де K_eб i K_кр – вiдповiдно ебулiоскопiчна i крiоскопiчна константи, характернi для розчинника, С_m – моляльнiсть розчину.

Приклад 4.Визначити кріоскопічну константу води, якщо водний розчин етилового спирту ( = 11,3 %) замерзає при  5С.

Розв’язок:

1. К_кр (Н₂О)  ?

Нехай маса розчину дорівнює 100 г. Тоді маса етилового спирту в ньому дорівнює 11,3 г (g), маса води  88,7 г (G), молярна маса спирту М(С₂Н₅ОН) = 46,07 г/моль, t_зам = 0 – (5) = 5,0 С.

Виходячи з кріоскопічного закону Рауля можна записати:

К_кр = = 1,81С.

Відповідь: кріоскопічна константа води дорівнює 1,81 С.

Приклад 5.Розчин камфори масою 0,552 г у етері масою 17 г закипає при температурі на 0,461вище, ніж чистий етер. Ебуліоскопічна константа етеру К_еб= 2,16С. Визначити молярну масу камфори.

Розв’язок:

Використаємо ебуліоскопічний закон Рауля.

t = К_еб С_m = ,

де g i G –маси камфори та етера відповідно, М  молярна маса камфори; звідки

_{М = г/моль.}

Відповідь: молярна маса камфори дорівнює 155,14 г/моль.

Розчини характеризуються також осмотичним тиском Р_осм, який спостерiгається на межi двох розчинiв з рiзною концентрацiєю, роздiлених напiвпроникною перегородкою. Р_осм обумовлений прагненням розчинника зрiвняти концентрацiю по обидвi сторони перегородки.

За законом Вант-Гоффа, P_осм = C_МRT, де С_М – молярна концентрацiя; R – унiверсальна газова стала; Т – температура.

Приклад 6. Розчин, у 100 мл якого міститься 2,3 г речовини при 298 К, має осмотичний тиск 618,5 кПа. Визначити молярну масу речовини.

Розв’язок:

1. С_м (речовини)  ?

Згідно з законом Вант-Гоффа, запишемо: Р_осм = С_мRT,

звідки С_м = Р_осм/RT = 618,5 ^. 10³ / (8,3 ^.298) = 250 моль/м³ = 0,25 моль/л.

.

2. М (речовини)-?

Складемо пропорції:

100 мл - 2,3 г

1000 мл – х г, х = 23 г; 23 г  0,25 моля

х₁  1 моль х₁ = 92 г/моль.

Відповідь: молярна маса речовини дорівнює 92 г/моль.

Питання i задачi.

1. Що називається розчином? Назвати iснуючi методи вираження їх концентрацiї.

2. Якi методи вираження концентрацiї слід вибирати, щоб вона не змiнювалась iз змiною температури?

3. Які розчини називаються iдеальними? Сформулюйте закони iдеальних розчинiв.

4. Який фiзичний змiст ебулiоскопiчної i крiоскопiчної констант?

5. Визначити процентний склад 2н розчину Сa(OH)₂ ( = 1,09 г/мл).

6. До 345 мл 17 % розчину NaOH (= 1,1 г/мл) додали 500 мл води. Одержали розчин густиною 1,04 г/мл. Визначити його молярнiсть, нормальнiсть, титр i процентний склад.

7. Скiльки мiлiлiтрiв 0,2М розчину Н₂SO₄ необхiдно для нейтралiзацiї 800мл 0,1М розчину NaOH?

8. Тиск пари води при 50 С дорівнює 12334 Па. Визначити тиск пари води над розчином, який містить 50 г етиленгліколю С₂Н₄(ОН)₂ у 900 г води.

9. При якій температурі буде замерзати водний розчин етилового спирту, якщо масова доля його у розчині складає 25 %?

10. Розчин 1,05 г неелектроліту у 30 г води замерзає при температурі – 0,7 С. Визначити молярну масу неелектроліту.