Справочники / Оганесян Э.Т., Попков В.А. Химия, ЕГЭ

Пример 7

В 135,6 г воды растворено 64,4 г глауберовой соли Na2SO4 . 10H2O. Какова массовая доля (%) безводной соли в растворе?

=322 г/моль, M(Na2SO4) = 142 г/моль. Следовательно,

m(Na2SO4 . 10H2O) = nM;

m(Na2SO4 . 10H2O) = 1 моль . 322 г/моль = 322 г; m(Na2SO4) = 142 г/моль . 1 моль = 142 г. Составляем пропорцию:

в322 г Na2SO4 . 10H2O содержится 142 г Na2SO4;

в64,4 г Na2SO4 . 10H2O содержится m1 Na2SO4;

Определяем массовую долю безводной соли в растворе:

Пример 8

Имеется раствор иодида калия. Для определения его массовой доли в растворе через 200 г такого раствора пропустили 100 мл газовой смеси, содержащей хлор. При этом выделилось 0,508 г кристаллического иодида. Какова массовая доля (%) иодида калия в анализируемом растворе? Какой объем хлора содержался в газовой смеси?

Пример 9

Определите концентрацию (в моль/л) раствора, в 50 мл которого содержится 5,6 г гидроксида калия.

Пример 10

Плотность раствора серной кислоты с массовой долей 35% равна 1,260 г/см3. Определите концентрацию этого раствора в моль/л.

Пример 11

Вкаком соотношении следует смешать растворы гидроксида натрия

сконцентрацией 15% и 40%, чтобы получить 500 г раствора с концентрацией 20%?

Решение

В соответствии с «правилом креста» составляем схему:

40 20 — 15 масса наиболее концентрированного р-ра 40

40 40 — 25 масса более разбавленного р-ра

Таким образом, для получения 500 г раствора NaOH с массовой долей 20% необходимо взять 100 г 40%-ного и 400 г 15%-ного растворов.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Объясните выражение «раствор с массовой долей 3%».

?2. Что обозначает запись с = 3 моль/л?

3.«Раствор 5%-ной концентрации». Почему так нельзя говорить? Как правильно?

4.В 30 г раствора гидроксида натрия содержится 2 г NaOH. Определите его массовую долю (%).

5.Нужно приготовить 350 г раствора из сахара и воды с массовой долей 60%. Какие для этого потребуются массы веществ?

6.Какую массу с массовой долей 25% раствора можно приготовить из 40 г нитрата калия? Сколько воды для этого нужно?

7.Плотность раствора азотной кислоты с массовой долей 32% равна 1,198 г/см3. Выразите концентрацию этого раствора в моль/л.

8.К 200 г с массовой долей 10% раствора прилили 50 г воды. Какой стала массовая доля (%) растворенного вещества после разбавления?

9.Смешали 20 г раствора с массовой долей 5% и 10 г раствора с массовой долей 3% одного и того же вещества. Какой стала массовая доля (%) этого вещества в полученном растворе?

10.Какое количество вещества НСl содержится в 2,5 л его раствора с с = 3 моль/л?

Ответ: 7,5 моль.

11.Какую массу нитрата серебра и воды необходимо взять для приготовления 175 г с массовой долей 5% раствора?

Ответ: 8,75 г AgNO3; 166,25 г Н2О.

12.К 120 г раствора соли с массовой долей 28% прилили 216 мл воды. Чему равна массовая доля (%) соли в полученном растворе?

Ответ: 10%.

13.Какова должна быть массовая доля (%) KNO в растворе, чтобы в нем

?на 1 моль соли приходилось 15 моль воды? 3 Ответ: 27,22%.

14.В 5 л воды растворено 250 г ВаСl2 · 2H2O. Какова массовая доля (%) безводной соли в растворе?

Ответ: 4,06%.

15.Плотность раствора КОН с массовой долей 14,7% равна 1,135 г/см3. Какова молярная концентрация этого раствора?

Ответ: 3 моль/л.

16.Растворили 33,6 л НСl в 100 мл воды. Какова массовая доля (%) хлороводорода в этом растворе?

Ответ: 35,38%.

17. Смешали 1 объем раствора с массовой долей 96% (плотность 1,836 г/см3) с 10 объемами воды. Какова массовая доля (%) серной кислоты в полученном растворе?

Ответ: 14,89%.

18.При выпаривании 200 г раствора соли получили 30 г сухого остатка. Какова массовая доля (%) растворенного вещества в растворе?

Ответ: 15%.

19.В каких соотношениях необходимо смешать растворы серной кислоты с массовой долей 2% и 10%, чтобы получить 80 г раствора с массовой долей 5%?

Ответ: 30 г 10%-ного раствора и 50 г 2%-ного раствора.

§3. Растворимость веществ

Растворение представляет собой самопроизвольный процесс. Переход вещества в раствор сопровождается постепенным увеличением его концентрации. Однако имеет место и обратный процесс — выделение вещества из раствора (кристаллизация). Вначале преобладает процесс растворения, но со временем скорости этих процессов выравниваются, и наступает динамическое равновесие: концентрация растворяемого вещества остается постоянной, неизменной. Такое состояние может продолжаться неопределенно долго, если не изменяются условия, при которых образован раствор (например, температура, давление и т.д.). Раствор, в котором достигается такое равновесие, называют насыщенным. Таким образом, концентрация вещества в насыщенном растворе называется его растворимостью в данном растворителе.

Мерой растворимости служит концентрация насыщенного при данной температуре раствора. Чаще всего расчеты проводят относительно 100 г растворителя. Например, при 18 oС в 100 г воды растворяется 35,86 г хлорида натрия. Это значит, что растворимость NaCl при указанной температуре равна 35,86.

По растворимости твердые вещества условно делят на легкорастворимые, труднорастворимые (или малорастворимые) и практически нерастворимые. Если в 100 г воды при 20 оС растворяется более 10 г вещества, то такое вещество считается легкорастворимым. Если при тех же условиях растворяется 0,01–1 г, то такое вещество считается труднорастворимым. Если при этих условиях в раствор переходит менее 0,01 г вещества, то его относят к практически нерастворимым. Это деление условно, и в природе абсолютно нерастворимых веществ не существует.

Растворимость большинства твердых веществ с понижением температуры уменьшается, поэтому при охлаждении насыщенных растворов часть вещества выделяется в кристаллическом виде. Это объясняется тем, что одно и то же вещество при различных температурах обладает различной растворимостью. Процесс, сопровождающийся выделением вещества при охлаждении горячего насыщенного раствора, называется кристаллизацией. Если охлаждение горячего насыщенного раствора производить медленно, то кристаллизация может не произойти, хотя образовался раствор, где содержание растворенного вещества значительно выше, чем его требуется для получения насыщенного при данной температуре раствора. Такие растворы называются пересыщенными. Если в пересыщенный раствор внести кристаллик растворенного вещества («затравка»), то на гранях внесенного кристалла (центр кристаллизации) начинается кристаллизация, и часть растворенного вещества выделяется в форме кристаллов. Раствор из пересыщенного превращается в насыщенный. Зачастую кристаллизация из пересыщенного раствора начинается от легкого сотрясения раствора. Этот же эффект наблюдается, если в раствор ввести стеклянную палочку и потереть о стенки сосуда.

Кристаллизацию из растворов и перекристаллизацию широко применяют для очистки веществ, растворимых в воде или каких-либо других растворителях.

Растворимость зависит не только от температуры, но и от природы растворителя и растворяемого вещества. Графически взаимосвязь между температурой и растворимостью твердых веществ выражается соответствующими кривыми растворимости, как это показано на рис. 5.1. На примере сульфата натрия (рис. 5.2) легко убедиться, что с повышением температуры растворимость соли быстро возрастает, увеличиваясь от 5 г на 100 г воды при 0 oС до 55 г при 32,4 oС. Выше этой температуры растворимость понижается от 55 г при 32,4 оС до 42 г при 100 oС.

ионному типу. Данное правило можно показать на примере растворения одной жидкости в другой. Так, метанол или этанол, будучи полярными веществами, легко смешиваются с водой в любых соотношениях. Известно, что молекулы спиртов ассоциированы за счет водородных связей; это характерно и для жидкой воды. При смешении этих веществ полярные молекулы Н2О взаимодействуют с молекулами С2Н5ОН и между ними формируются водородные связи. Вследствие этого происходит большее разупорядочение молекул спирта и воды, что является одним из важнейших критериев смешения жидкостей друг с другом.

Следовательно, вещества с одинаковым типом межмолекулярного взаимодействия способны к взаимной растворимости.

Растворимость жидкости в жидкости обычно увеличивается с повышением температуры и практически не зависит от давления. В системах жидкость–жидкость, когда имеет место ограниченная растворимость первой жидкости во второй и второй жидкости в первой, наблюдается расслаивание.

Так как с повышением температуры растворимость обычно возрастает, то при некоторой температуре происходит полное взаимное растворение. Эта температура называется критической температурой растворения, выше которой расслаивание не происходит.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.При выпаривании досуха 300 г насыщенного при 60 oC водного рас-

?твора KNO3 получилось 157,01 г сухого остатка. Какова растворимость соли при этой температуре?

Ответ: 109,8 г.

2.При 60 oC 200 г насыщенного раствора содержат 36,57 г безводного

CuSO4. Какова растворимость медного купороса CuSO4 · 5H2O при этой температуре?

Ответ: 39,99 г.

3.Пользуясь кривыми растворимости (см. рис. 5.1), установите раствори-

мость бертолетовой соли КClО3 при 10, 50 oC; растворимость нитрата калия KNO3 при 30, 50, 70 oC.

4.Имеется насыщенный при 10 oC раствор сульфата натрия. Предложите два способа, с помощью которых исходный раствор можно перевести в ненасыщенный. Ответ обоснуйте.

5.Растворимость хлорида кальция при 18 oC равна 73,19 г. Определите массу соли, которую можно растворить при этой температуре в 250 г воды. Какова массовая доля (%) хлорида кальция в полученном растворе?

Ответ: ~ 183 г. CaCl2; 42,26%.

6.Из 31 г насыщенного при 32,4 oC раствора сульфата натрия пу-

?тем выпаривания воды было получено 24,94 г кристаллогидрата Na2SO4 · 10H2O. Определите растворимость безводного сульфата натрия при 32,4 oC.

Ответ: 55 г.

§4. Процесс растворения.

Тепловые явления при растворении

Растворение представляет собой сложное физико-химическое явление, и в зависимости от природы растворителя и растворенного вещества может преобладать либо физический, либо химический процесс. Обычно физический процесс всегда предшествует химическому. Д.И. Менделеев, обосновывая теорию растворов, впервые выдвинул идею о существовании в них неопределенного состава химических соединений. Эта идея составила основу химической теории растворов.

Обычно растворение одного вещества в другом может протекать по одному или нескольким механизмам. Например, взаимодействие металла с кислотой является химическим растворением, осуществляемым в результате конкретного химического превращения:

Mg + 2НСl = MgCl2 + Н2.

Химическое растворение — это такой процесс, в результате которого можно получить соответствующий раствор целевого продукта. Так, можно легко рассчитать, например, массы Р2О5 и Н2О для получения раствора Н3РО4 определенной концентрации:

Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4.

В результате таких процессов образуются растворы молекулярного или ионного типа. При нехимическом растворении процесс взаимодействия между молекулами растворяемого вещества с молекулами растворителя называют сольватацией, а продукты взаимодействия — сольватами (от лат. solvere — растворять). Если в качестве растворителя используется вода, то процесс называют гидратацией, а продукты взаимодействия — гидратами. Образование сольватов может протекать различными путями в зависимости от природы растворителя и растворяемого вещества. Так, если растворяются вещества с ионной структурой, то молекулы растворителя удерживаются у образовавшегося иона за счет электростатических сил взаимодействия. Например, при растворении некоторых солей двух- и трехзарядных катионов (Cu2+, Al3+, Ni3+ и т.д.) образуются сольватированные ионы:

[Сu(Н2О)4]2+, [Ni(Н2О)6]3+, [Al(Н2О)6]3+. Число молекул воды, координированных с ионом растворенного вещества, зависит от его строения и размеров: чем меньше радиус, тем меньше число молекул воды может быть ассоциировано. Ионы же с большими радиусами (например, Na+, K+, Cs+) могут в зависимости от концентрации раствора сольватироваться различным числом молекул растворителя.

Часто образующиеся сольваты (гидраты) могут быть настолько прочны, что их можно выделить из раствора в кристаллическом состоянии. Такие кристаллы, содержащие в связанном виде молекулы растворителя, называют кристаллосольватами (если растворитель — вода, то кристаллогидратами). Например, CuSO4 . 5H2O, Na2SO4 . 10Н2О, ВаС12 . 2Н2О.

Когда энергия связи между сольватируемыми частицами и молекулами растворителя становится больше, чем энергия связи между частицами в решетке твердого кристалла, то постепенно происходит разрушение всего кристалла.

Следовательно, при растворении веществ происходит разрыв связей между ионами, атомами или молекулами, что связано с затратой энергии. Одновременно происходит взаимодействие частиц растворяемого вещества с растворителем, что сопровождается выделением энергии. Общий же энергетический эффект зависит от соотношения выделяемой или поглощенной энергии. Если энергия, затраченная на разрыв связей в исходном веществе, больше, чем выделившаяся при образовании сольвата, то наблюдается понижение температуры раствора, а если наоборот, то повышение температуры раствора.

Тепловая энергия, выделяемая или поглощаемая при растворении веществ, называется теплотой растворения.

Таким образом, растворение можно рассматривать как два последовательных процесса:

1) разрыв связей в исходном веществе (эндотермический процесс):

АВ → А + В;

2) сольватация (гидратация) частиц А и В с образованием сольватов (гидратов) и выделение тепловой энергии (экзотермический про-

цесс):

А + nН2О → А . nН2О; В + nН2О → В . nН2О.