Коми филиал
Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «КИРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ»
Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации
Кафедра химии, физики, биологии
Методические указания для студентов 1 курса
Специальности (направления подготовки) 060101 – Лечебное дело
по самостоятельной внеаудиторной работе
по дисциплине Химия
ТЕМА: Растворы. Способы выражения концентрации. Приготовление раствора заданной концентрации.
ЦЕЛЬ: Научиться навыкам проводить расчеты, необходимые для приготовления растворов различных концентраций и умению готовить такие растворы.
ЗАДАЧИ:
1. Ознакомиться со способами выражения концентрации растворов.
2. Разобрать обучающие задачи по расчету концентрации растворов.
3. Подготовиться к лабораторной работе «Приготовление раствора NaCl заданной концентрации путем разбавления концентрированного раствора».
СТУДЕНТ ДОЛЖЕН ЗНАТЬ:
1. до изучения темы: Понятия массовой доли, количества вещества, концентрации раствора и их взаимную связь.
2. после изучения темы: Понятия: раствор, растворитель, растворенное вещество; особенности структуры воды в жидком и твердом состояниях; растворимость твердых веществ, газов в воде; факторы, влияющие на растворимость; способы выражения концентрации растворов: по растворению точной навески (объема) сухого вещества, кристаллогидрата, газа; из концентрированного раствора путем его разбавления; из разбавленного раствора путем его концентрирования; из фиксанала.
СТУДЕНТ ДОЛЖЕН УМЕТЬ:
Проводить необходимые расчеты для приготовления раствора с заданной концентрацией раствора. Пользоваться аналитическими весами, мерной посудой (пипетки, бюретки, мерные пробирки, цилиндры, мензурки) и химическими приборами (ареометр).
ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕТОВ ПО УКАЗАННОЙ ТЕМЕ
1) Разобрать обучающие задачи по способам приготовления растворов:
Расчеты при приготовлении, разбавлении и смешивании растворов одного и того же вещества объединяет одна общая идея – во всех случаях записывают уравнения материального баланса, связывающие характеристики конечного раствора и его исходных составляющих. В результате получают систему из двух алгебраических уравнений, решая которую, определяют искомые величины, которые необходимо взять для приготовления раствора с заданными характеристиками.
В расчетах с использованием массовой доли (А) основу составляют два закона сохранения масс - относительно массы раствора (смеси) и относительно массы растворенного вещества, составленные на основе характеристик составных частей I и II и самого раствора (смеси):
а) - баланс по массе раствора (смеси): m(I)р-ра + m(II)р-ра = m(р-ра) (или m(смеси))
б) - баланс по массе растворенного вещества А: m(А/I) + m(А/II) = m(А/р-р) (или m(А/смеси))
Далее величины, представленные в этих уравнениях, выражают согласно условию задачи через объемы, плотности и массовые доли растворенного вещества соответствующих растворов I и II.
Следует отметить, что закон сохранения объема при смешивании растворов в общем виде не выполняется, то есть объем смеси не всегда равен сумме объемов исходных растворов (см. пример 2).
В расчетах с использованием молярной концентрации с(А) основу составляют закон сохранения количества вещества и приближенно выполняющийся закон сохранения объема раствора (смеси) в случае разбавления и смешения растворов. Последний выполняется тем точнее, чем более разбавлены смешиваемые растворы:
1) - баланс по объему смеси при разбавлении и смешивании:
Vр-ра(I) + Vр-ра(II) = Vсмеси
2) - баланс по количеству растворенного вещества:
(А/I) + (А/II) = (А/смеси)
или с(А/I)Vр-ра(I) + с(А/II)Vр-ра(II) = с(А/смесь)V(смесь)
Пример 1. Какие количества составных частей I и II необходимо взять для приготовления 220 мл раствора хлорида кальция с (CaCl2)=8%, плотность раствора =1,066 г/мл. Рассмотреть следующие способы приготовления раствора:
а) m(CaCl2)(тв) и V(H2O) – растворение CaCl2(тв) в воде;
б) m(CaCl2·6H2O) и V(H2O) – растворение кристаллогидрата CaCl2·6H2O в воде;
в) m (CaCl2)(тв) + Vр-ра с (СaCl2)=2% и =1,015г/мл – концентрирование раствора
г) Vр-ра с (СaCl2)=25% и =1,228г/мл и V(Н2О) – разбавление концентрированного раствора;
д) Vр-ра с (СaCl2)=25% и =1,228г/мл и Vр-ра с (СaCl2)=2% и =1,015г/мл – смешивание двух растворов;
е) Vр-ра с (СaCl2)=2% и =1,015г/мл концентрирование раствора путем упаривания растворителя.
Решение:
а) Составим два балансовых уравнения
1) по массе раствора: m(CaCl2) + m(Н2О) = m(р-ра) = V·
2) по массе растворенного вещества: m(CaCl2) = V··(СaCl2)
Подставляем данные из условия задачи и получаем систему двух уравнений:
m(CaCl2) + m(Н2О) = 220мл·1,066г/мл=234,52г
m(CaCl2) = 220мл·1,066г/мл·0,08=18,76г
Отсюда m(H2O)=234,52г – 18,76г = 215,76г
Ответ: для приготовления раствора необходимо 18,76г CaCl2(тв) и 215,76мл Н2О
(при условии, что =1г/мл).
б) Рассуждая подобным образом:
1) Уравнение материального баланса по массе раствора:
m(CaCl2·6Н2О) + m(Н2О) = m(р-ра) = V·
2) Уравнение материального баланса по массе вещества CaCl2 в растворе:
m(CaCl2/ CaCl2· 6H2O) = V··(СaCl2),
где m(CaCl2/ CaCl2· 6H2O) = из соображения, что (CaCl2) = (CaCl2·6H2O)
Система уравнений принимает вид: m(CaCl2· 6H2O) + m(Н2О) = m(р-ра) = V·
= V··(СaCl2),
подставляем данные из условия задачи:
m(CaCl2· 6H2O) + m(Н2О) = 220мл·1,066г/мл =234,52г
= 220мл·1,066г/мл·0,08 = 18,76г
Отсюда m(CaCl2· 6H2O) =
и m(H2O) = 234,52 – 37,01 = 197,51г
Ответ: для приготовления раствора необходимо 37,01г CaCl2· 6H2O и 197,51мл H2O.
в) Составим два балансовых уравнения:
1) - по массе раствора: m(CaCl2) + m1 = mр-ра или m(CaCl2) + V11 = V
2) - по массе растворенного вещества: m(CaCl2) + m(CaCl2/исх.р-р) = m(CaCl2/конечн.р-р)
или m(CaCl2) + V1· 1· 1 = V··
Подставляем данные из условия задачи:
m(CaCl2) + V1·1,015г/мл = 220мл·1,066г/мл = 234,52г
m(CaCl2) + V1·1,015г/мл·0,02 = 220мл·1,066г/мл·0,08 =18,76г
Решая систему двух уравнений методом вычитания из первого уравнения второго, получаем:
V1·1,015г/мл·(1-0,02) = 234,52-18,76 = 215,76г
и V1 =
m(CaCl2) = 234,52г-216,91мл·1,015г/мл = 14,35г
Ответ: для приготовления раствора нужно 14,35г CaCl2 и 216,91мл исходного раствора с (CaCl2)=2%
г) Составим два балансовых уравнения:
1)-по массе раствора V1 ·1 + m(H2O) = V·
2)-по массе растворенного вещества V1·1·1 = V··
получим систему: V1·1 + m(H2O) = V·
V1·1·1 = V··
подставляем данные из условия задачи:
V1·1,228г/мл+m(H2O)=220мл·1,066г/мл=234,52г V1·1,228г/мл·0,25=220мл·1,066г/мл·0,08=18,76г
Отсюда и
m(H2O)=234,52 – 61,11мл·1,228г/мл=159,48г
Ответ: для приготовления раствора необходимо 61,11мл исходного раствора с (CaCl2)=25% и 159,48мл H2O.
д) Составим два балансовых уравнения:
1) - по массе раствора V11 + V22= V·
2) - по массе растворенного вещества V1 ·1 ·1+ V2 ·2 ·2 = V··
Подставляем данные из условия задачи:
V1 ·1,228г/мл +V2 ·1,015г/мл = 220мл·1,066г/мл=234,52г
V1 ·1,228г/мл·0,25 + V2 ·1,015г/мл·0,02 = 220мл·1,066г/мл·0,08=18,76г
Решая систему двух уравнений с двумя неизвестными, находим V1=49,81мл и V2=170,79мл.
Ответ: для приготовления смешанного раствора необходимо 49,81мл раствора с (CaCl2)=25% и 170,79мл раствора с (CaCl2)=2%.
е) При выпаривании раствора масса растворенного вещества не изменяется, а уменьшается лишь масса летучего растворителя - воды. Составим балансовое уравнение по массе растворенного вещества и определим объем исходного раствора, который необходимо взять для выпаривания:
m(CaCl2/до выпаривания)=m(CaCl2/после выпаривания)
или V1 ·1 ·1 = V··, откуда
Определим массу воды, которую необходимо выпарить:
m(H2O) = m(исх.р-р) - m(конечн.р-р) = V1 ·1-V· = 924,14мл·1,015г/мл-220мл·1,066г/мл = 703,48г.
Ответ: нужно взять 924,14мл раствора с (CaCl2)=2% и 703,48мл H2O.
Пример 2. Какие объемы газообразного аммиака (н.у.) и его раствора с (NH3) = 3% и плотностью =0,985г/мл необходимо взять для приготовления 100мл нашатырного спирта (раствора с (NH3) = 10% и =0,957г/мл).
Решение: Запишем два уравнения материального баланса на основе двух составных частей смеси:
-
I
II
Смесь
NH3(газ)
m(NH3)
Раствор аммиака
2(NH3) = 3%
2 = 0,985г/мл
V2 = ?
V(смесь) = 100мл = V
(NH3) = 10%
= 0,957г/мл
Составляем уравнения материального баланса
1) - по массе смеси:
2) - по массе аммиака , где Vm=22,4л/моль.
Подставив данные задачи, получим систему двух уравнений:
Решая систему из двух уравнений, находим необходимые объемы 3% раствора аммиака: V(NH3) = 8,9л.
Пример 3. Какой объем раствора соляной кислоты с (HCl) = 20% и = 1,098 г/мл необходим для приготовления одного литра 2М раствора?
Решение: Исходный раствор HCl является более концентрированным, чем 2М раствор и приготовление последнего связано с разбавлением первого водой. Поскольку при добавлении чистого растворителя содержание чистого вещества не меняется, то взятый для приготовления объем Vр-ра с (HCl) = 20% должен содержать такую же массу HCl, что и конечный разбавленный раствор:
m(HCl/исх.р-р) = m(HCl/конечн.р-р) или V··=c·V·M(HCl) или
V ·1,098г/мл ·0,20 = 2моль/л ·1л ·36,5 тогда V = .
Ответ: объем раствора кислоты необходимый для приготовления 1л 2М раствора HCl, равен 332,4мл.
Методика приготовления 2М раствора: в мерную колбу на 1л вносят 332,4мл исходного раствора с (HCl) = 20% и затем разбавляют дистиллированной водой до метки, до общего объема в 1л.
Если при смешивании растворов некоторых веществ протекают химические реакции, то количества реагирующих веществ находят через заданные концентрации растворов. В этих случаях важно безукоризненно знать формулировку каждого способа выражения концентрации раствора, а также формулы связи между концентрациями, количеством растворенного вещества и его массой. Кроме того, следует обратить внимание на правильное определение качественного и количественного состава раствора после окончания химической реакции, а также правильное вычисление его массы:
количества ( моль) продуктов реакции определяет исходное вещество, взятое в недостатке, а исходное вещество, взятое в избытке, всегда присутствует в конечной смеси веществ;
масса конечной смеси равна сумме масс составляющих ее исходных растворов и чистых веществ, из которой необходимо вычесть массы всех газообразных и малорастворимых продуктов реакции, которые покидают раствор;
объем конечной смеси приближенно равен сумме объемов исходных растворов, а при растворении твердых и газообразных веществ объем раствора считается равным объему растворителя.
Для достаточно разбавленных растворов можно принять, что р-р (H2O) = 1 г/мл.
Пример 4. В 250г раствора фосфорной кислоты с (H3PO4) = 9,8% растворили при нагревании 14,2г оксида фосфора (V). Определить массовую долю растворенного вещества в конечном растворе.
Решение: а) При растворении P2O5 в растворе фосфорной кислоты образуется дополнительное ее количество в результате химической реакции:
P2O5 + 3H2O(растворитель) 2H3PO4(р-р),
поэтому масса кислоты в конечном растворе равна:
m(H3PO4) = m(H3PO4/исх.р-р) + m(H3PO4)
Рассчитаем каждое слагаемое в отдельности: m(H3PO4/исх.р-р) = mр-р ·(H3PO4)=250г ·0,098 =24,5г
m(H3PO4/по реакции) = (H3PO4) М(H3PO4) = =
тогда mобщ(H3PO4) = 24,5г + 19,5г = 44,0г
б) Масса конечного раствора кислоты равна:
m(конечн.р-р) = m(исх.р-р) + m(P2O5) = 250 + 14,2 = 264,2г
и ( H3PO4/конечн.р-р)= или 16,69%
Ответ: массовая доля ортофосфорной кислоты в конечном растворе составила 16,69%.