Алгоритм решения задач по химии. Практикум. Часть 2. Учебное пособие

УДК 542.8/.9

ББК Г1я7

П27

Научный редактор профессор С.И. НИФТАЛИЕВ

Р е ц е н з е н т ы :

кафедра химии ВГЛТУ им. Морозова Г. Ф. Воронежского государственного университета;

д-р хим. наук О. Б. РУДАКОВ

(Воронежский государственный архитектурно-строительный университет)

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Воронежского государственного университета инженерных технологий

Козадерова, С. И. Нифталиев; Воронеж. гос. ун-т инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2016. – 75 с.

ISBN 978-5-00032-228-4

Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями ФГОС ВО подготовки выпускников по направлениям 18.03.01 – «Химическая технология», 18.03.02 – «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 20.03.01 – «Техносферная безопасность». Оно предназначено для закрепления теоретических знаний дисциплины «Неорганическая химия» блока 1.

Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласияуниверситета запрещается.

2

ОТ АВТОРОВ

Учебное пособие позволяет сформировать следующие компетенции:

-способность и готовность использовать основные законы естественно-научных дисциплин в профессиональной деятельно-

сти (ОПК-1, 18.03.01);

-готовность использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире (ОПК-3, 18.03.01);

-способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОПК-2, 18.03.02);

-способность работать самостоятельно (ОК-8, 20.03.01);

-способность использовать законы и методы математики, естественных, гуманитарных и экономических наук при решении профессиональных задач (ПК-22, 20.03.01).

Учебное пособие содержит краткий теоретический материал, помогающий решить задачи. Для каждого типа задач описаны методы анализа и поиска решения. В каждую тему включены задачи для самостоятельного решения. Выполнять их следует после внимательного ознакомления с общими методами решения таких задач.

3

1. РАСТВОРЫ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ

Разбавленные растворы неэлектролитов обладают рядом физических свойств, к которым относятся и коллигативные свойства растворов. Эти свойства зависят от количества частиц растворенного вещества и количества растворителя. Природа растворенного вещества не оказывает влияния на эти свойства. К коллигативным свойствам растворов относятся: понижение давления насыщенного пара, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания (кристаллизации), осмотическое давление.

Давление насыщенного пара (т. е. пара, который пребывает в состоянии равновесия с жидкостью) над чистым растворителем называется давлением или упругостью насыщенного пара чистого растворителя. Если в некотором растворителе растворить нелетучее вещество, то равновесное давление паров растворителя при этом понижается, т. к. растворенное вещество затрудняет переход частиц растворителя в паровую фазу.

Первый закон Рауля: относительное понижение давления насыщенного пара растворителя над разбавленным раствором неэлектролита при постоянной температуре равно мольной доле растворенного вещества:

(p0 – p)/p0 = χв-ва, (p0 – p)/p0 = n /(n + N),

где ρ0 – давление пара над чистым растворителем; ρ – давление пара растворителя над раствором; χв-ва – мольная доля раство-

что χв-ва + χр-ля = 1.

Раствор, содержащий нелетучее растворенное вещество, обладает меньшей летучестью, чем чистый растворитель. Поэтому его кипение начинается при более высокой температуре и замерзание при более низкой, чем кипение и замерзание чистого растворителя.

Второй закон Рауля: повышение температуры кипения (tкип) и понижение температуры замерзания (tзам) разбавленного

4

раствора нелетучего вещества по сравнению с чистым растворителем пропорциональны моляльной концентрации раствора:

∆tкип = Е cm,

tзам = K· cm,

где E — эбуллиоскопическая константа; K — криоскопическая константа; сm — моляльность раствора, моль/кг.

Осмос – это самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану из разбавленного раствора или чистого растворителя в концентрированный раствор. Полупроницаемой мембраной называется мембрана, пропускающая молекулы растворителя и не пропускающая молекулы растворенного вещества. Для того чтобы осмос приостановить, необходимо приложить внешнее давление к раствору. Такое давление называется осмотическим давлением.

Закон Вант Гоффа: осмотическое давление разбавленных растворов неэлектролитов прямо пропорционально молярной концентрации раствора и абсолютной температуре:

pосм =сRT,

где росм – осмотическое давление, Па; с – молярная концентрация раствора, моль/дм3; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль∙К); Т – температура, К.

Алгоритм решения задач

1.Из условия задачи определите, какой закон (первый закон Рауля, второй закон Рауля, закон Вант Гоффа) необходимо использовать для решения задачи.

2.Запишите выражение соответствующего закона.

3.Выразите необходимую величину из записанного урав-

нения.

4.При расчетах необходимо учитывать разные способы выражения содержания растворенного вещества в растворе. Так,

впервом законе Рауля используется мольная доля, во втором законе Рауля – моляльность, в законе Вант Гоффа – молярность. Если в условии задачи приведен другой способ выражения концентрации, то сделайте необходимый перерасчет.

5

1.1. Первый закон Рауля

Задача 1.

Вычислите давление пара раствора, содержащего 34,23 г сахара C12H22O11 в 45,05 г воды при 65 ºС, если давление паров воды при этой температуре равно 2,5 ∙ 104 Па.

Решение. Давление пара растворителя над раствором нелетучего вещества всегда ниже давления пара над чистым растворителем при той же температуре. Относительное понижение давления пара растворителя над раствором согласно закону Рауля выражается соотношением

Молярная масса C12H22O11 равна 342,30 г/моль и молярная масса H2O равна 18,02 г/моль. Число молей растворенного вещества

(n) и растворителя (N) соответственно равны:

n = 34,23/342,30 = 0,1 моля; N = 45,05/18,02 = 2,5 моля.

Давление пара над раствором р равно

= 2,5 104 −2,5 104 0,0385 = 2,5 104 −0,096 104 = 2,4104 Па.

Задача 2.

Рассчитайте молярную массу неэлектролита, если 28,5 г этого вещества, растворенного в 785 г воды, вызывают понижение давления пара воды над раствором на 52,37 Па при 40 ºС. Давление водяного пара при этой температуре равно 7375,9 Па.

6

Решение. Относительное понижение давления пара растворителя над раствором равно

(p0 – p)/p0 = n /(n + N), где N =mH2O MH2O =785/18,02=43,56моля;

n = mx / M x ,

где mx – масса неэлектролита, молярная масса которого Mx; n = 28,5/Mx;

Задачи для самостоятельного решения

1. Давление пара воды при 30 ºС составляет 4245,2 Па. Сколько граммов сахара C12H22O11 следует растворить в 800 г воды для получения раствора, давление пара которого на 33,3 Па меньше давления пара воды? Вычислите массовую долю сахара в растворе.

Ответ: 119,8 г; 13 %.

2. Определите массовую долю глюкозы С6H12O6 в водном растворе, если величина понижения давления пара составляет 5 % от давления пара чистого растворителя. Каково соотношение между числом молей растворённого вещества и растворителя в этом растворе?

Ответ: 34,5 %; 1:19.

3. Давление пара эфира при 30 ºC равно 8,64∙104 Па. Сколько молей неэлектролита надо растворить в 50 молях эфира, чтобы понизить давление пара при данной температуре на

2666 Па?

Ответ: 1,6 моля.

7

4.Понижение давление пара над раствором, содержащим 0,4 моля анилина в 3,04 кг сероуглерода, при некоторой темпера-

туре равно 1003,7 Па. Давление пара сероуглерода при той же температуре 1,0133∙105 Па. Вычислите молярную массу сероуглерода.

Ответ: 76,0 г/моль.

5.При некоторой температуре давление пара над раство-

ром, содержащим 62 г фенола С6H5OH в 60 молях эфира, равно 0,507∙105 Па. Найдите давление пара эфира при этой

температуре.

Ответ: 0,513∙105 Па.

6.Давление пара воды при 50 ºС равно 12 334 Па. Вычислите давление пара раствора, содержащего 50 г этиленгликоля

С2H4(OH)2 в 900 г воды.

Ответ: 12 140 Па.

7. Определите давление пара растворителя над раствором, содержащим 1,212∙1023 молекул неэлектролита в 100 г воды при 100 ºC. Давление пара воды при 100 ºC равно 1,0133∙105 Па.

Ответ: 0,98∙105 Па.

8. Давление пара водного раствора неэлектролита при 80 ºC равно 33 310 Па. Сколько молей воды приходится на один моль растворенного вещества в этом растворе? Давление пара воды при этой температуре равно 47 375 Па.

Ответ: 2,4 моля.

9.Давление водяного пара при 65 ºС равно 25 003 Па. Определите давление водяного пара над раствором, содержащим

34,2 г сахара C12H22O11 в 90 г воды при этой температуре. Ответ: 24 512 Па.

10.Вычислите молярную массу глюкозы, если давление водяного пара над раствором 27 г глюкозы в 108 г воды при

100 ºС равно 98775,3 Па.

Ответ: 180 г/моль.

11.Давление пара воды при 10 ºС составляет 1227,8 Па. В каком количестве воды следует растворить 16 г метилового

спирта для получения раствора, давление пара которого составляет 1200 Па при той же температуре? Вычислите массовую долю СН3ОН в растворе.

Ответ: 389,0 г; 4 %.

8

12. Давление пара воды при 100 ºС равно 1,0133∙105 Па. Вычислите давление водяного пара над раствором с массовой долей мочевины СО(NН2)2 10 % при этой температуре.

Ответ: 0,98∙105 Па.

1.2. Второй закон Рауля

Задача 1.

Определите температуру кипения и замерзания раствора, содержащего 1 г нитробензола C6H5NO2 в 10 г бензола. Эбуллиоскопическая и криоскопическая константы бензола соответственно равны 2,57 и 5,1 кг град моль-1. Температура кипения чистого бензола равна 80,2 ºС, а замерзания минус 5,4 ºС.

Решение. Эта задача решается на основе законов Рауля, из которых следует, что

ля, кг град моль-1; mв-ва– масса растворенного вещества, г; mр-ля – масса растворителя, кг; М — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Молярная масса нитробензола C6H5NO2 равна 123,11 г/моль. Повышение температуры кипения раствора нитробензола в бензоле равно

Температура кипения раствора

tкип = 80,2 + 2,09 = 82,29 ºС.

9

Понижение температуры замерзания раствора нитробензола в бензоле равно

Температура замерзания раствора tзам =5,4 — 4,14 = 1,26 ºС.

Задача 2.

Определите молярную массу камфоры, если раствор 0,552 г ее в 17 г эфира кипит при температуре на 0,461 ºС выше, чем чистый эфир. Эбуллиоскопическая константа эфира равна 2,16 кг град моль-1.

Решение. Молярную массу камфоры определяем, пользуясь соотношением

Молярная масса камфоры равна 155,14 г/моль.

Задача 3.

Вычислите криоскопическую константу воды, если водный раствор с массовой долей этилового спирта 11, 3 % замерзает при минус 5 ºС.

Решение. Молярная масса этилового спирта равна 46,07 г/моль. Из соотношения, приведенного в примере 1, получаем

Криоскопическая константа воды Кк = 1,81 кг град моль-1.

10