Растворы

Раствор - гомогенная система, состоящая из растворенного вещества, растворителя и продуктов взаимодействия между ними. Растворы бывают газообразные (атмосфера), жидкие (природная вода), твердые (сплавы). Свойства растворов зависят от природы растворителя (вода, ацетон, керосин и др.), от природы растворенных веществ (кислоты, основания, соли, газы и др.), а также от концентрации растворенного вещества в растворе. В настоящем практикуме рассматриваются, в основном, свойства водных растворов.

Идеальные растворы – растворы, которые образуются без изменения объема растворителя и без теплового эффекта, т.е. V_р-ра = 0 и Н_р-ра = 0. В этом случае предполагается, что между молекулами растворителя и молекулами растворенного вещества отсутствует межмолекулярное взаимодействие. К идеальным растворам с некоторым приближением относят разбавленные растворы органических веществ и газов в воде (растворы неэлектролитов).

Реальные растворы - растворы кислот, оснований, солей в воде, образование которых сопровождается взаимодействием молекул растворителя и растворенного веществ, изменением объема растворителя и выделением или поглощением тепла. К реальным растворам относятся растворы электролитов и концентрированные растворы неэлектролитов.

Способы выражения концентрации растворов

В зависимости от содержания растворенного вещества растворы бывают разбавленные, концентрированные, насыщенные и перенасыщенные. Количественная характеристика способности вещества растворяться называется растворимостью. Под растворимостью понимают: а) количество вещества в граммах, которое необходимо растворить в 100 г растворителя для получения насыщенного раствора (m(г) / 100 (г); б) количество молей растворенного вещества в 1 л насыщенного раствора (Р (моль / л).

В химической практике используются следующие способы выражения концентрации растворенного вещества в растворе: массовая доля и мольная доля растворенного вещества, молярная и моляльная концентрации, молярная концентрация эквивалента.

Массовая доля или процентная концентрация (С%) определяет, какую часть масса растворенного вещества составляет от массы раствора (обычно в процентах), и рассчитывается как отношение:

С_% = m(х) / m(у) )•100%, С_% = m(х) / (m(х)+m(z))•100%,

где m(х) - масса растворенного вещества (г); m(у) - масса раствора (г), m(z) – масса растворителя (г). Очевидно, что С_% не может быть больше единицы (или 100 % )

Молярная концентрация или молярность (С_м) определяет, сколько молей растворенного вещества содержится в каждом литре данного раствора, и рассчитывается как отношение количества растворенного вещества в молях n(х), содержащегося в растворе, к объему этого раствора:

n(х) m(х) • ρ(у)

С_М = ————— = —————————————,

V(y) М(х)•((m(z)+m(х))

где m(х) - масса растворенного вещества (г), M(х) - молярная масса растворенного вещества (г/моль); V(у) - объем раствора (л).

Моляльная концентрация или моляльность (C_m) определяет, сколько молей растворенного вещества приходятся на каждый килограмм растворителя, и рассчитывается как отношение коли-чества растворенного вещества в молях n(х) к массе растворителя:

n(х) m(х) • ρ(у)

С_m ————— = ————————————— (моль/кг),

m(z) М(х)•((m(y)-m(х))

где ρ(у) - плотность раствора (г/мл, кг/л), m(х) - масса растворенного вещества (г), m(z) – масса растворителя (кг).

Молярная концентрация эквивалента или нормальность (С_N) определяет, сколько молей эквивалента растворенного вещества содержится в каждом литре раствора, и рассчитывается как отношение количества растворенного вещества в молях эквивалента n_э(х), содержащегося в растворе, к объему этого раствора:

n_э(х) m(х) • ρ(у) С_N = ————— = ————————————— (моль/л) ,

V(у) М_э(х) • (m(z)+m(х))

где М_э(х) = Э(х)_* М(х) - молярная масса эквивалента растворенного вещества (г/моль), (m(z)+m(х)) - масса раствора (кг), ρ(у) – плотность раствора (г/мл или кг/л).

Мольная доля (С) показывает, какую часть число молей растворенного вещества составляет от суммы числа молей растворенного вещества и растворителя в растворе. Для раствора содержащего одно растворенное вещество С рассчитывается по формуле:

n(х) m(x)/M(х) С = ———————— = ————————————————,

n(х) + n(z) m(х)/M(x) + m(z)/M(z)

где n(z) - число молей растворителя, в котором содержится n(х) молей растворенного вещества. Очевидно, что С(х) всегда меньше единицы (100% ).

Пользуясь растворами, концентрация растворенного вещества в которых выражена через нормальность С_N, можно на основе закона эквивалентов рассчитать, в каких объемных отношениях должны быть смешаны растворы веществ Х₁ и Х₂, чтобы эти вещества прореа-гировали между собой без остатка:

V(x₁) • C_N(x₁) = V(х₂) • С_N(х₂), или V(x₁)/V(х₂) = С_N(х₂)/С_N(x₁).

Видно, что объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальной концентрации. Произведение объема раствора и молярной концентрации эквивалента вещества равно числу эквивалентов, т.е. V(Х₁) • C_N(Х₁) = n_э(Х₁)

Пример1. Вычислите молярную концентрацию эквивалента и молярную, моляльную концентрации раствора, в котором массовая доля СuSО₄ равна 10%. Плотность раствора 1,107 г/мл.

Решение. Вычисления в задаче связаны с пересчетом концентраций из одних единиц в другие.

1. Определим молярную массу эквивалента (М_э) CuSО₄ :

М_э (CuSО₄) = М (CuSО₄)/Валентность меди = 159.61/2 = 79,8 (г/моль).

2. В растворе с мольной долей равной 10%, на каждые 10 г CuSО₄ приходится 90 г воды. Отсюда можем найти моляльную концентрацию CuSО₄:

n(CuSО₄) m(CuSО₄) 10• C_m = —————— = ———————————— = —————— = 0,696 (моль/кг).

M(H₂O) M (CuSО₄) • m(H₂O) 159,61•0,090

3. Молярная и эквивалентная концентрации связаны с объемом раствора. Поэтому находим объем, кото-рый занимают 100 г 10%-ного раствора CuSО₄:

V(CuSО₄) = m(у)/ρ(у) = 100/1,107 = 90,33 (мл) = 0,0903 (л).

4. Рассчитываем молярную концентрацию раствора:

n(CuSО₄) m(CuSО₄) 10 С_м = —————— = —————————— = ——————— = 0.693 (моль/л)

V(у) М (CuSО₄) • V(y) 159 • 0,0903

5. Рассчитываем нормальную концентрацию раствора CuSО₄:

n_э(CuSО₄) m (CuSО₄) 10

С_N = ——————— = ——————————— = ——————— = l,386(моль / л).

V(v) M_э (CuSО₄) • V(у) 79.8 • 0,09

Пример 2 Рассчитайте, сколько мл. 0.5 N раствора гидроксида натрия потребуется для нейтрализации 40 мл 0.2 N раствора серной кислоты.

Решение. Реакция взаимодействия между кислотой и щелочью: 2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O.

По закону эквивалентов объмы реагирующих веществ обратно пропорционльны молярным концентра-циям эквивалентов, т.е. : C_{N (NaOH) *} V _(NaOH) = C_{N (кис-ты) *} V_{(кис-ты)} .

Отсюда, V_(NaOH) = C_{N (кис-ты) *} V_{(кис-ты) /} C_{N (NaOH)} = 40 _* 0.2 / 0,5 = 16 мл.

Пример 3 Приведем таблицу, в которой на на примере водных растворов K₂SO₄ показан способ расчета количественных параметров раствора, которые необходимы для перехода из одной концентрации в другую.

Известные и вычисленные параметры	Концентрация водного раствора сульфата калия
	Cm=0,5m	CN = 1,2 N	C% = 13 %	Cμ = 0,001	СM=0,6M
М(х), г/моль	174	174	174	174	174
ρ (у) г/мл	По условию	По условию	По условию	По условию	По условию
Эквивалент	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2
Мэ, г/моль	87	87	87	87	87
Масса (х), г	0,5 * 174	1,2 * 87	13	Пусть 17,4 г	0,6 * 174
Масса (у), г	1000 + 0,5*174	ρ (у) * 1000	100		ρ (у) * 1000
Масса (z), г	1000	m(у) – m(x)	100 - 13	Тогда 18*99,9	m(у) – m(x)
Объем (у), мл	(1000+m(x))/ ρ	1000	100 / ρ (у)	m(z) + m(x)/ ρ	1000
nэ	1	1,2	13/87	17.4 / 872	1,2
nм	0,5	0,6	13 /174	17.4 / 174	0,6

ЗАДАЧИ

1. К 800 мл раствора гидроксида калия с молярной концентрацией эквивалента 0,4 моль/л добавили 500 мл воды. Вычислить молярную концентрацию вновь полученного раствора.

2. Вычислите массовую долю карбоната калия и моляльную концентрацию раствора, содержа-щего 36 г K₂СО₃ в 1250 г воды.

3. Вычислите молярную концентрацию эквивалента раствора ортофосфорной кислоты, мас- совая доля кислоты в котором составляет 0,12 (12%). Плотность раствора равна 1,08 г/мл.

4. Какой объем раствора щелочи с молярной концентрацией эквивалента 0,25 моль/л требуется для нейтрализации 1,96 г ортофосфорной кислоты, содержащейся в 20 мл раствора?

5. До какого объема следует упарить 1,6 л раствора сульфата меди с молярной концентрацией эквивалента 0,06 N для получения раствора с молярной концентрацией 0,24M.

6. Какой объем раствора нитрата серебра с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л израсходуется в реакции осаждения с раствором, который содержит 0,84 г хлорида кальция?

7. К 400 мл раствора гидроксида калия с молярной концентрацией 0,5 моль/ л добавили 600 мл воды. Вычислите молярную концентрацию эквивалента вновь полученного раствора.

8. Какой объем воды потребуется для растворения 15г хлорида натрия для получения 0,2М раствора? Плотность раствора принять 1 г/мл.

9. Рассчитайте молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалента раствора сульфата натрия с массовой долей 0,02 (2%). Плотность раствора принять равной 1г/мл.

10. Определите моляльную концентрацию раствора хлористоводородной кислоты с массовой долей 10%. Плотность раствора принять равной 1,06 г/мл.

11. Вычислите мольные доли воды и серной кислоты в 25%-ном по массе растворе серной кислоты.

12. В воде объемом 210мл растворили соль массой 30г. Рассчитайте массовую долю соли в полученном растворе.

13. Вычислите молярную концентрацию хлористоводородной кислоты в растворе с массовой долей кислоты 20%. Плотность раствора принять 1,1г/мл.

14. К 2М раствору хлорида калия объемом 40 мл (плотность 1,09г/мл) прилили 200 г воды. Определите молярную концентрацию полученного раствора и массовую долю хлорида калия в нем. Плотность полученного раствора равна 1,02г/мл.

15. Сколько граммов гидроксида натрия содержится в 500 мл 0,1М раствора этой соли?

16. Определите мольную долю сульфата натрия в растворе, полученном при растворении 20 г. этой соли в воде объемом 300мл.

17. Определите, какая масса серной кислоты содержится в растворе объемом 0,5 л, если молярная концентрация эквивалента кислоты равна 0,2моль/л.

18. Определите, какая масса ортофосфорной кислоты содержится в растворе объемом 0,5л, если молярная концентрация эквивалента кислоты равна 0,3моль/л.

19. Сколько граммов вещества следует взять для приготовления :а) 2л 0,6N раствора карбоната калия; б) 0,5л 0,1М раствора нитрата серебра; в) 100мл 0,4N раствора бромида бария.

20. Какой объем 4N раствора серной кислоты требуется для нейтрализации 10г гидроксида натрия?

21. Сколько миллилитров 0,1 N раствора ортофосфорной кислоты можно приготовить из 80мл 0,75N раствора той же кислоты ?

22. До какого объема следует разбавить водой 2,4л 1,6N раствора соляной кислоты для получения 0,25N раствора ?

23. Определите молярную концентрацию эквивалента ортофосфорной кислоты, если в 0,4л раствора содержится 12г кислоты.