Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неорганическая химия сборник упражнений. Для студентов-иностранцев. Учебное пособие
.pdf
111
ГЛАВА 5. РАСТВОРЫ. ТЕОРИЯ
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ
5.1. Понятие о растворах. Растворимость
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
раствор solution s olution ﻞﺋﺎﺳ
растворитель (dis)solvent dis solva nt ﻞﺤﻤﻟا
растворенное
вещество
растворимость solubility dissolubilité ا ﻞﺋﺎﺴﻟاﻞﺤﻨﻤﻟ
насыщенный saturated saturé ﻊﺒﺸﻤﻟا
взаимодействие interaction coopér ation طﺎﺒﺗرﻻا ﺔﺟرد
разрушение destruction destruction ﺐﯾﺮﺨﺘﻟا
диффузия Diffusion diffusion ﺔﻟدﺎﻌﻤﻟﺎﺑ طﺎﺒﺗرﻻا ﺔﻠﺣﺮﻣ
кристаллогидрат crystalhydrate hydrate
сольватация solvation solvation لﺣﻠﺣﺗﻟا
гидратация hy dratatio n hy dratatio n ﺔﻓﺎﺿإ ءﺎﻣﻟا
solute substance
diluée
cristallisé
ﺔﻠﺤﻨﻤﻟا
ﺮﯿﻐﻧ ﻦﻣ ﺔﯿﺋﺎﯿﻤﯿﻜﻟا داﻮﻤﻟا
ﺔﻠﺣﺮﻤﻟا ﻰﻟا ﺔﻠﺣﺮﻣ
ﺔﯿﻟﺎﺘﺳﺮﻜﻟا
Раствор – это гомогенная система, которая состоит из двух
или более компонентов: растворителя, растворенных веществ и
продуктов их взаимодействия.
Так, например, раствор серной кислоты состоит из растворителя – воды, растворенного вещества – кислоты и продуктов их
взаимодействия – гидратированных ионов: H+, HSO
-
, SO
4
2-
.
4
Вещество в растворе раздроблено до молекулярного или
атомного уровня и равномерно распределено между молекулами
растворителя. Такие растворы называются истинными. Растворы
бывают:
- жидкими (растворы солей, сахара, спирта в воде, йода в
спирте и т. д.);
- твердыми (сплавы металлов, например, сталь – сплав железа с углеродом и другими элементами (Mn, Si, S, P), бронза –
сплав меди с другими металлами);
- газообразными (воздух, другие смеси газов).
112
В 1887 году Д.И. Менделеев создал гидратную теорию
растворов, согласно которой при растворении образуются соль-
ваты – нестойкие химические соединения растворенного вещества
с растворителем (в случае водных растворов – гидраты). Эта
теория совместно с гипотезой ионизации шведского ученого
Аррениуса стала основой современной теории растворов,
которая 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 - осуществляется с поглощением энергии (положительный тепловой
эффект);
- диффузия – равномерное распределение сольватированных
частиц в объеме растворителя.
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.
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, 20оС) 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).
113
Раствор, в котором данное вещество еще может растворять-
, г/100г
воды
о
Рис. 2
2
. Зависимость растворимости твердых
ся при данной температуре, называется ненасыщенным.
Чтобы получить ненасыщенный раствор хлорида натрия при
20оС в 100 г воды, надо растворить меньше 36 г NaCl.
Растворимость - это свойство вещества растворяться в воде
или другом растворителе. 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 20оС в
100 г воды растворяется 56,5 г нитрата свинца (II) Pb(NO3)2 (т. е.
растворимость этой соли при 20оС равна 56, 5). Говоря о растворимости вещества, следует указывать температуру, при которой
происходит растворение. В большинстве случаев растворимость
твердых и жидких веществ с повышением температуры возрастает
(рис. 22), а газов – снижается (рис. 23).
Растворимость
Температура,
С
114
Растворимость
,
,
о
С
Рис. 2
3
. Зависимость растворимости газов
Температура
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.
Пример 1. Какая масса сульфата железа (II) содержится в
железном купоросе массой 834 г?
Решение
Дано:
m(FeSO4·7H2O) = 834 г
Найти:
1. Определяют массовую долю
сульфата железа ( II) в железном
купоросе по формуле
m(FeSO4)
ω(FeSO4) = Mr(FeSO4) / Mr(FeSO4·7H2O) = 152 / 278 = 0,55.
2. Рассчитывают массу сульфата железа (II), содержащуюся
в 834 г железного купороса, по формуле
m(FeSO4) = ω(FeSO4) · m(FeSO4·7H2O) = 0,55 · 834 г = 459 г.
Ответ: в железном купоросе массой 834 г содержится 459 г
сульфата железа (II).
115
Пример 2. Какая масса сахара получится при упаривании
его насыщенного раствора массой 750 г при 20оС, если растворимость сахара при указанной температуре равна 200 г / 100 г воды?
Дано:
Решение
m(раствора сахара) = 750 г
S(сахара) = 200 г/100 г воды
t = 20оС
Найти:
m(сахара)
w
)сахара( =
m
+=mm
1. По растворимости оп-
ределяют массовую долю
сахара в его насыщенном
растворе по формуле
)сахара(
)воды()сахара(
200
=
100200
+
0,67
.
2. Рассчитывают массу сахара, содержащуюся в 750 г его
насыщенного раствора по формуле
m(сахара) = ω(сахара) ∙ m(раствора сахара) = 0,67 ∙ 750 г = 500 г.
Ответ: получится 500 г сахара при упаривании его насы-
щенного раствора массой 750 г при 20оС.
Контрольные задания
1. Составьте глоссарий: раствор –; гидратная теория рас-
творов –; диффузия –; кристаллогидраты –; насыщенный
раствор –; ненасыщенный раствор –; растворимость –.
2. Вычислите массовую долю кристаллизационной воды в
гипсе.
3. Какая масса хлорида натрия получится при упаривании
его насыщенного раствора массой 500 г при 20оС?
4. Рассчитайте массу сульфата меди (II), которая содержится
в медном купоросе массой 750 г?
5. Какая масса хлорида алюминия растворится в воде массой
350 г при 100оС, если растворимость соли при данной температуре равна 49 г/100 г воды?
116
5.2. Способы выражения состава раствора вещества
Словарь
Русский Английский Французский Арабский
состав composition composition ﻦﯾﻮﻜﺗ
выражать to express exprimer رﺎﮭظإ
массовая доля mass part (fraction) part m assive ﺠﻟا ﻲﻠﺘﻜﻟا ءﺰ
молярная
концентрация
плотность density densité ﺔﻓﺎﺜﻜﻟا
объем volume volu me ﻢﺠﺤﻟا
molar
concentration
concentration
molaire
يﺰﯿﻛﺮﺘﻟا ءﺰﺠﻟا
Существуют различные способы выражения численного состава растворов: массовая доля растворенного вещества, молярная
концентрация и другие.
Массовая доля растворенного вещества ω(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 % масс. 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. 10).
Молярная концентрация вещества с(Х) – это величина,
равная отношению количества растворенного вещества n(X) к
объему раствора этого вещества V (раствора Х):
с(Х) = n(X) / V (раствора Х).
Запись молярной концентрации: с(H2SO4) = 0,5 моль/дм
означает, что в одном дм3 раствора H2SO4 содержится 0,5 моль
(49 г) серной кислоты.
Для двухкомпонентного раствора его масса складывается из
масс растворенного вещества и растворителя, например, воды:
m(раствора Х) = m(Х) + m(H2O).
3
117
Плотность водных растворов некоторых
кислот и оснований при 20 оС
Таблица 10
Массовая доля
растворенного
вещества
0,04 1,025 1,020 1,018 1,035 1,043
0,06 1,038 1,031 1,028 1,053 1,065
0,08 1,052 1,043 1,038 1,072 1,087
0,10 1,066 1,054 1,047 1,090 1,109
0,12 1,080 1,066 1,057 1,109 1,131
0,14 1,095 1,078 1,068 1,128 1,153
0,16 1,109 1,090 1,078 1,147 1,175
0,18 1,124 1,103 1,088 1,167 1,197
0,20 1,139 1,115 1,098 1,186 1,219
0,22 1,155 1,128 1,108 1,206 1,241
0,24 1,170 1,140 1,119 1,226 1,263
0,26 1,186 1,153 1,129 1,247 1,285
0,28 1,202 1,167 1,139 1,267 1,306
0,30 1,219 1,180 1,149 1,288 1,329
0,32 1,235 1,193 1,159 1,309 1,349
0,34 1,252 1,207 1,169 1,330 1,370
0,36 1,268 1,221 1,179 1,359 1,390
0,38 1,286 1,234 1,189 1,373 1,410
0,40 1,303 1,246 1,198 1,396 1,430
0,42 1,321 1,259 - 1,418 1,449
0,44 1,338 1,272 - 1,441 1,469
0,46 1,357 1,285 - 1,464 1,487
0,48 1,376 1,298 - 1,587 1,501
0,50 1,395 1,310 - 1,601 1,525
H2SO
Плотность водных растворов, г/см
HNO
4
HCl KOH NaOH
3
3
Формула для определения массовой доли вещества приобретает вид:
X)(
=
w
(X)
mmm+
.
)O(HX)(
2
Чтобы приготовить 500 см3 (0,5 дм3) раствора гидроксида
натрия с молярной концентрацией 0,1 моль/дм3, надо сначала
118
определить количество вещества NaOH, необходимое для приго-
Рис. 2
4
. Мерные колбы
товления 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.
На аналитических весах взвешивают 2 г гидроксида натрия
и переносят в мерную колбу вместимостью 500 см3 (рис. 24) на
половину, заполненную дистиллированной водой. Полностью
растворяют массу навески и добавляют дистиллированную воду
до метки (нижняя часть мениска должна касаться метки).
вую долю в насыщенном растворе. Например, растворимость
хлорида бария BaCl2 при 20оС равна 38 г/100 г воды. Это значит,
что в 100 г воды содержится 38 г хлорида бария.
m(раствора BaCl2) = m(BaCl2) + m(H2O) = 38 + 100 = 138 г.
держится 38 г BaCl2, поэтому массовая доля хлорида бария в его
насыщенном растворе будет равна:
с массовой долей Ba Cl2 0,28.
Зная растворимость вещества, можно определить его массо-
Масса всего раствора хлорида бария будет равна:
Таким образом, в растворе хлорида бария массой 138 г со-
ω(BaCl2) = m(BaCl2) / m(раствора BaCl2) = 38 / 138 = 0,28.
Насыщенный раствор хлорида бария при 20оС – это раствор
119
Пример 1. Приготовить раствор хлорида натрия массой
Определяют массу хлорида
натрия, содержащуюся в 500 г
500 г с массовой долей NaCl 0,15.
Дано:
m(раствора NaCl) = 500 г
1.
Решение
ω(NaCl) = 0,15
Найти:
раствора по формуле
m(NaCl)
V(H2O)
m(NaCl) = ω(NaCl) · m(раствора NaCl) = 0,15 · 500 = 75 г.
2. Затем определяют массу воды, необходимую для приго-
товления данного раствора, по формуле
m(H2O) = m(раствора NaCl) – m(NaCl) = 500 – 75 = 425 г.
Плотность воды равна 1 г/см3, поэтому V(H2O) = 425 см3.
Ответ: взвешивают на весах хлорид натрия массой 75 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 H Cl 0,20.
Дано:
m(раствора HCl) = 250 г
ω(HCl) = 0,02
ω
(HCl) = 0,20
исх.
1. Определяют массу хлорово-
дородной кислоты, необходимую
для приготовления 250 г указан-
Решение
ного раствора по формуле
Найти:
V(исх.р-ра HCl)
V(H2O)
m(HCl) = ω(H Cl) · m(раствора HCl) = 0,02 · 250 = 5 г.
2. Затем определяют массу исходного раствора HCl, содер-
жащего 5 г хлороводородной кислоты по формуле
m(исх. р-ра HCl) = m(HCl) / ω
(HCl) = 5 / 0,20 = 25 г.
исх.
3. По табл. 10 находят плотность исходного раствора хло-
роводородной кислоты (ρ исх. р-ра HCl) =1,098 г/см3) и рассчитывают объем исходного раствора:
V(исх. р-ра HCl) = m(исх. р-ра HCl) / ρ(исх. р-ра HCl) =
= 25 / 1,098 = 22,8 см3.
120
4. Затем определяют массу воды, необходимую для приго-
товления данного раствора, по формуле
m(H2O) = m(раствора HCl) – m(исх. р-ра HCl) == 250 – 25 = 225 г.
Плотность воды равна 1 г/см3, поэтому V(H2O) = 225 см3.
Ответ: мерным цилиндром отмеряют 22,8 см3 исходного
раствора хлороводородной кислоты и 225 см3 воды, переносят в
колбу и перемешивают.
Пример 3. Рассчитайте молярную концентрацию раствора
гидроксида натрия, если при растворении его массой 60 г в воде
получили раствор объемом 2 дм3.
Дано:
m(NaOH) = 60 г
V(раствора NaOH) = 2 дм
Найти:
3
1. Определяют количество
вещества гидроксида натрия по
формуле
Решение
c(NaOH)
n(NaOH) = m(NaOH) / M(NaOH) = 60 / 40 = 1,5 моль.
2. Рассчитывают молярную концентрацию гидроксида на-
трия 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.
Дано:
ω
исх.(H2SO4
c(H2SO4) = 0,5 моль/дм
) = 0,5
3
V(раствора H2SO4) = 0,2 дм
Найти:
1. Определяют количество
вещества серной кислоты, необ-
3
ходимого для приготовления
заданного раствора, по формуле
Решение
V(исх. раствора H2SO4)
n(H2SO4) = c(H2SO4) · V(раствора H2SO4) = 0,5 · 0,2 = 0,1 моль.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]