Начальный курс химии. В 2 частях. Ч.2. Учебное пособие

В 1887 году Д.И. Менделеев создал гидратную теорию растворов, согласно которой при растворении образуются сольваты – нестойкие химические соединения растворенного вещества с растворителем (в случае водных растворов – гидраты). Эта теория совместно сгипотезой ионизации шведского ученого Аррениуса стала основой современной теории растворов, кото-

рая рассматривает растворение как совокупность следующих стадий:

-взаимодействие растворителя с частицами растворенного вещества – протекает с образованием связей с выделением энергии (отрицательный тепловой эффект);

-разрушение структуры растворяемого вещества - осущест-

В зависимости от соотношения значений этих тепловых эффектов процесс растворения может быть экзоили эндотермическим. Подтверждением реальности процесса сольватации является образование кристаллогидратов. При растворении сульфата меди (II) белого цвета в воде образуется раствор синего цвета. При осторожном выпаривании раствора выделяются кристаллы синего цвета, в состав которых входят CuSO4 и вода в соотношении один к пяти (CuSO4 ∙ 5H2O). При более интенсивном нагревании кристаллов выделяется вода и остается порошок белого цвета

- сульфат меди (II).

Кристаллогидраты – это кристаллические вещества, в состав которых входит определенное число молекул воды(кристаллизационная вода).

Примеры кристаллогидратов: CuSO4 ∙ 5H2O – медный купорос, FeSO4 · 7H2O – железный купорос, CaSO4 · 2H2O – гипс.

Есть вещества, которые смешиваются между собой в любых соотношениях. Например, вода и этанол. Твердые вещества, большинство газов и жидких веществ растворяются в воде в определенных соотношениях. Например, при 20 оС в воде массой 100 г может раствориться не более 36 г хлорида натрия.

31

Раствор, в котором данное вещество больше не растворяется при данной температуре, называется насыщенным. Чтобы получить насыщенный раствор(например, хлорида натрия), надо при данной температуре(например, 20 оС) добавлять при перемешивании вещество до тех пор, пока не образуется осадок, т. е.

избыток вещества останется нерастворенным(в нашем случае надо добавлять больше 36 г NaCl на 100 г воды).

Раствор, в котором данное вещество еще может растворяться при данной температуре, называется ненасыщенным. Чтобы получить ненасыщенный раствор хлорида натрия при20 оС в 100 г воды, надо растворить меньше 36 г NaCl.

Растворимость - это свойство вещества растворяться в воде или другом растворителе. Количественно растворимость выражается концентрацией насыщенного раствора. Чаще всего растворимость выражают при помощи массы вещества, которая может раствориться в 100 г воды при данной температуре, и называют коэффициентом растворимости(или просто растворимостью - S). Так, при 20 оС в 100 г воды растворяется 56,5 г нитрата свинца (II) Pb(NO3)2 (т. е. растворимость этой соли при20 оС равна 56,5). Если при этой же температуре сверх этой массы добавить ещё соли нитрата свинца (II), то она не растворится, а выпадет в осадок.

Говоря о растворимости вещества, следует указывать температуру, при которой происходит растворение. В большинстве случаев растворимость твердых и жидких веществ с повышением температуры возрастает (рис. 2), а газов – снижается (рис. 3).

Растворимость газов зависит не только от температуры, но и от давления, повышение которого сопровождается увеличением растворимости. Например, если открыть бутылку с минеральной водой, в которой оксид углерода (IV) растворен при повышенном давлении, то выделяется газ (CO2), т. к. давление в бутылке уменьшается. На растворимость твердого тела в воде давление влияет весьма незначительно, т. к. при растворении не происходит заметного изменения объема системы.

32

Растворимость, г/100 г воды

Температура, оС

Рис. 2. Зависимость растворимости твердых веществ от температуры

Растворимость, г/100 г воды

Температура, оС

Пример 1.РисКакая. 3. Зависимостьмасса сульфатарастворимостижелеза (II)газовсодержитс

от температуры

33

Пример 1. Какая масса сульфата железа(II) содержится в железном купоросе массой 834 г?

ω(FeSO4) = Mr(FeSO4) / Mr(FeSO4·7H2O) = 152 / 278 = 0,55.

2.Рассчитывают массу сульфата железа (II), содержащуюся

в834 г железного купороса, по формуле

m(FeSO4) = ω(FeSO4) · m(FeSO4·7H2O) = 0,55 · 834 = 459 г.

Ответ: в железном купоросе массой 834 г содержится 459 г сульфата железа (II).

Пример 2. Какая масса сахара получится при упаривании его насыщенного раствора массой 750 г при 20 оС, если растворимость сахара при указанной температуре равна200 г / 100 г воды?

2. Рассчитывают массу сахара, содержащуюся в 750 г его насыщенного раствора по формуле

m(сахара) = ω(сахара) ∙ m(раствора сахара) = 0,67 ∙ 750 = 500 г.

Ответ: получится 500 г сахара при упаривании его насыщенного раствора массой 750 г при 20 оС.

34

Контрольные задания

1.Вычислите массовую долю кристаллизационной воды в

гипсе.

2.Какая масса хлорида натрия получится при упаривании его насыщенного раствора массой 500 г при 20 оС?

3.Рассчитайте массу сульфата меди (II), которая содержится в медном купоросе массой 750 г.

4.Какая масса хлорида алюминия растворится в воде массой 350 г при 100 оС, если растворимость соли при данной температуре равна 49 г/100 г воды?

Контрольные вопросы

1.Что такое растворы?

2.Какие растворы называются насыщенными и ненасыщенными?

3.Из каких стадий состоит процесс растворения?

4.Что такое гидраты, сольваты, кристаллогидраты?

5.Какая вода называется кристаллизационной?

6.Что называют растворимостью?

7.Как выражают растворимость вещества?

8.От чего зависит растворимость веществ?

2.2. Способы выражения состава раствора вещества

Словарь

35

Важной характеристикой любого раствора является его состав. Существуют различные способы выражения численного состава растворов: массовая доля растворенного вещества, молярная концентрация и другие.

Массовая доля растворенного веществаω(Х) – это без-

размерная физическая величина, которая равна отношению массы растворенного вещества m(X) к общей массе всего раствора m(раствора Х):

ω(Х) = m(X) / m(раствора Х).

Массовую долю растворенного вещества обычно выражают в долях единицы или массовых процентах. Например, массовая доля растворенного вещества – хлороводородной кислоты в воде равна 0,15 или 15 % мас. Это означает, что в растворе хлороводородной кислоты массой 100 г содержится 15 г HCl и 85 г воды.

Водные растворы с различной массовой долей растворенного вещества имеют различную плотность (табл. 2).

Молярная концентрация вещества с(Х) – это величина,

равная отношению количества растворенного веществаn(X) к объему раствора этого вещества V(раствора Х):

с(Х) = n(X) / V(раствора Х).

Единица измерения молярной концентрации– моль/дм3. Так, запись молярной концентрации: с(H2SO4) = 0,5 моль/дм3 означает, что в одном дм3 раствора H2SO4 содержится 0,5 моль (49 г) серной кислоты.

Раствор, в 1дм3 которого содержится 1 моль растворенного вещества, называется молярным. Если в 1дм3 раствора содержится 0,1 моль вещества, то он называется децимолярным, 0,01 – сантимолярным.

Чтобы приготовить 500 см3 (0,5 дм3) раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией0,1 моль/дм3, надо сначала определить количество вещества NaOH, необходимое для приготовления 500 см3 раствора:

m(NaOH) = c(NaOH) · V(раствора NaOH) = = 0,1 · 0,5 = 0,05 моль.

Затем рассчитывают массу гидроксида натрия: m(NaOH) = n(NaOH) · M(NaOH) = 0,05 · 40 = 2 г.

36

На аналитических весах взвешивают 2 г гидроксида натрия и переносят в мерную колбу вместимостью500 см3 (рис. 4) на половину, заполненную дистиллированной водой. Полностью

растворяют массу навески гидроксида натрия путем вращения колбы и добавляют дистиллированную воду до метки(нижняя часть мениска должна касаться метки).

Таблица 2

Плотность водных растворов некоторых кислот и оснований при 20 оС

37

Рис. 4. Мерные колбы

Пользоваться молярной концентрацией очень удобно, т.к. известно количество вещества(число молей), содержащееся в определенном объеме раствора. Например, для нейтрализации 1 дм3 раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией равной 1 моль/дм3 согласно уравнению реакции:

2NaOH + H2SO4 = Na2SO4 + H2O

требуется 0,5 дм3 раствора серной кислоты с молярной концентрацией 1 моль/дм3.

Зная растворимость вещества, можно определить его массовую долю в насыщенном растворе. Например, растворимость хлорида бария BaCl2 при 20 оС равна 38 г/100 г воды. Это значит, что в 100 г воды содержится 38 г хлорида бария.

Масса всего раствора хлорида бария будет равна: m(раствора BaCl2) = m(BaCl2) + m(H2O) = 38 + 100 = 138 г.

Таким образом, в растворе хлорида бария массой138 г содержится 38 г BaCl2, поэтому массовая доля хлорида бария в его насыщенном растворе будет равна:

ω(BaCl2) = m(BaCl2) / m(раствора BaCl2) = 38 / 138 = 0,28.

Насыщенный раствор хлорида бария при20 оС – это раствор с массовой долей BaCl2 0,28.

38

Пример 1. Приготовить раствор хлорида натрия массой 500 г с массовой долей NaCl 0,15.

m(NaCl) = ω(NaCl) · m(раствора NaCl) = 0,15 · 500 = 75 г.

2. Затем определяют массу воды, необходимую для приготовления данного раствора, по формуле

m(H2O) = m(раствора NaCl) – m(NaCl)= 500 – 75 = 425 г.

Так как плотность воды равна 1 г/см3, поэтому:

V(H2O) = 425 см3.

Ответ: взвешивают на весах хлорид натрия массой75 г и помещают в химическую колбу. Мерным цилиндром отмеряют воду объемом 425 см3, переносят в колбу и перемешивают.

Пример 2. Приготовить 250 г раствора хлороводородной кислоты с массовой долей HCl 0,02 из исходного раствора (исх. р-р) хлороводородной кислоты с массовой долей HCl 0,20.

Найти:

V(исх.р-ра HCl)

V(H2O)

m(HCl) = ω(HCl) · m(раствора HCl) = 0,02 · 250 = 5 г.

2. Затем определяют массу исходного раствораHCl, содержащего 5 г хлороводородной кислоты по формуле

m(исх. р-ра HCl) = m(HCl) / ωисх.(HCl) = 5 / 0,20 = 25 г.

39

3.По табл. 2 находят плотность исходного раствора хлороводородной кислоты (ρисх(HCl) =1,098 г/см3) и рассчитывают объем исходного раствора:

V(исх. р-ра HCl) = m(исх. р-ра HCl) / ρисх.(HCl) =

=25 / 1,098 = 22,8 см3.

4.Затем определяют массу воды, необходимую для приготовления данного раствора, по формуле

m(H2O) = m(раствора HCl) – m(исх. р-ра HCl) =

=250 – 25 = 225 г.

Так как плотность воды равна 1 г/см3, поэтому:

V(H2O) = 225 см3.

Ответ: мерным цилиндром отмеряют22,8 см3 исходного раствора хлороводородной кислоты и225 см3 воды, переносят в колбу и перемешивают.

Пример 3. Рассчитайте молярную концентрацию раствора гидроксида натрия, если при растворении его массой60 г в воде получили раствор объемом 2 дм3.

n(NaOH) = m(NaOH) / M(NaOH) = 60 / 40 = 1,5 моль.

2. Рассчитывают молярную концентрация гидроксида натрия в полученном растворе по формуле

c(NaOH) = n(NaOH) / V(раствора NaOH) = = 1,5 / 2 = 0,75 моль/дм3.

Ответ: с(NaOH) = 0,75 моль/дм3.

Пример 4. Определите объем исходного раствора серной кислоты с массовой долей H2SO4 0,5 необходимый для приготовления 200 см3 раствора серной кислоты с молярной концентрацией 0,5 моль/дм3.

40