close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

1299.325.Растворы и дисперсные системы

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
“Казанский государственный технологический университет”
РАСТВОРЫ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Методические указания
Казань 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Составители: доц. Е.Е. Стародубец
доц. Т.П. Петрова
доц. С.В. Борисевич
Растворы и дисперсные системы: Методические указания /
Казан. гос. технол .ун-т; Сост.: Е.Е. Стародубец, Т.П. Петрова, С.В.
Борисевич. М-во образ. и науки РФ. – Казань, 2010. – 35 с.
Рассмотрены основные свойства дисперсных систем и
истинных растворов, способы выражения концентрации растворов,
примеры решения различных типов задач и методика проведения
лабораторной работы по приготовлению растворов заданной молярной
и процентной концентрации.
Предназначено для студентов 1 курса всех специальностей,
изучающих дисциплины «Химия» и «Общая и неорганическая химия».
Подготовлено на кафедре неорганической химии.
Печатается по решению методической комиссии по циклу
естественно-научных дисциплин.
Под редакцией проф. А.М. Кузнецова
Рецензенты: проф. Б.Л. Журавлев
проф. П.А. Гуревич
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Абсолютно чистых веществ в природе практически не
существует. Даже небольшое количество примесей приводит к тому,
что мы имеем дело не с конкретным веществом, а смесью веществ,
обладающей свойствами, отличными от свойств чистого вещества.
Различают смеси гомогенные и гетерогенные. Гомогенные смеси
однородны, то есть между компонентами смеси отсутствуют границы.
Такими смесями являются истинные растворы. Если смесь состоит из
веществ ограниченно растворимых или практически не растворимых
друг в друге, то это гетерогенная смесь. Рассмотрим некоторые
свойства перечисленных систем.
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Гетерогенные системы, в которых очень мелкие частицы
одного вещества (дисперсной фазы) равномерно распределены в
объеме другого вещества (дисперсионной среды), называются
дисперсными системами. По размеру частиц дисперсной фазы
различают грубодисперсные (взвеси) и тонкодисперсные (коллоиды
или коллоидные растворы) системы (рис.1).
Дисперсные системы
Тонкодисперсные
(Коллоиды)
10-9
Грубодисперсные
(Взвеси)
10-8
10-7 Размер частиц, м
Рис.1. Деление дисперсных систем по размерам частиц дисперсной
фазы
По степени взаимодействия между дисперсной фазой и
дисперсионной средой системы делят на лиофобные и лиофильные. В
лиофобных системах это взаимодействие выражено слабо. В
лиофильных системах частицы дисперсной фазы активно
взаимодействуют с дисперсионной средой (например, за счет
водородных связей) и способны в ней растворяться. Такие системы
образуются самопроизвольно и очень устойчивы.
По агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной
среды различают несколько типов дисперсных систем (табл.1).
Таблица 1
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Типы дисперсных систем
Дисперсная Дисперсная
Тип
среда
фаза
дисперсионной
системы
Газ
Жидкость
Аэрозоль
Твердое
вещество
Жидкость
Газ
Пена
Жидкость
Эмульсия
Твердое
вещество
Твердое
вещество
Газ
Золь
Суспензия
Твердая пена
Жидкость
Гель
Твердое
вещество
Твердый золь
Примеры
Туман, облака
Дым, смог, пыль в
воздухе
Газированная вода
Молоко,
майонез,
кровь
Паста
Ил,
цементный
раствор
Поролон, пористый
шоколад
Желе, мази, тушь,
помада
Горные
породы,
цветные стекла
Из грубодисперсных систем наиболее распространены
суспензии и эмульсии.
Для суспензий характерно явление седиментации –
осаждения частиц твердой дисперсной фазы под действием силы
тяжести или центробежных сил. Если плотности дисперсионной фазы
и дисперсионной среды близки, то седиментация идет медленно, и
суспензии называют взвесями. Суспензиями являются многие
строительные материалы, например, краски, побелка, бетон,
цементный раствор и др.
Эмульсии с течением времени могут расслаиваться. Многие
лекарственные, косметические средства, пестицидные препараты
являются эмульсиями.
Если размеры частиц дисперсной фазы составляют 10-9…10-7м,
то есть достаточно малы, то дисперсные системы называют
коллоидными растворами (коллоидами). Для них характерно явление
опалесценции, связанное со способностью рассеивать падающий свет
за счет частиц дисперсной фазы, которые по размерам сравнимы с
длиной волны излучения. Например, при пропускании через
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
коллоидный раствор луча света в нем появляется светящаяся дорожка
(эффект Тиндаля).
Важнейшие виды коллоидных систем – это золи и гели (табл.
1). Для золей характерно явление коагуляции – укрупнения за счет
сталкивания друг с другом частиц дисперсной фазы с течением
времени.
При длительном хранении золи могут превращаться в гели,
дисперсная фаза и дисперсная среда при этом меняются своими
ролями. Гели по сравнению с золями имеют пониженную текучесть и
представляют собой студнеобразную коллоидную систему. Однако
при нагревании гель может снова превратиться в золь. Гелями
являются мармелад, зефир, холодец, гели для душа, кремы,
лекарственные мази, пасты, хрящи, сухожилия, волосы. Для гелей
характерно явление синерезиса – самопроизвольного уменьшения
объёма, связанного с отделением жидкости и превращением в твердый
коллоид. Этот процесс также обратим. С одной стороны, синерезис
определяет срок годности гелей, что требует разработки способов
противодействия его возникновению. С другой стороны, синерезис
играет важную роль в биологических системах (благодаря синерезису
происходит свертывание крови) и на производстве – в технологии
изготовления резин, пластмасс, химических волокон, сыра, творога, в
хлебопечении.
Частицы дисперсной фазы в коллоидных растворах часто не
оседают даже при длительном хранении. Это связано с двумя
основными причинами:
1. За счет теплового движения частицы дисперсной фазы
постоянно сталкиваются с частицами дисперсионной среды, изменяя
направление движения, то есть седиментация не наблюдается.
2. Слипанию частиц коллоида препятствует одноименный
заряд их поверхности, приводящий к их взаимному отталкиванию.
Чтобы объяснить возникновение этого заряда, схематически
рассмотрим строение коллоидной частицы – мицеллы (рис. 2) на
примере гидрозоля иодида серебра, получаемого взаимодействием
разбавленных растворов нитрата серебра и иодида калия:
AgNO3 + KI ––> AgI + KNO3.
Коллоидная мицелла золя иодида серебра образована
микрокристаллом иодида серебра, который способен к избирательной
адсорбции из окружающей среды катионов Ag+ или анионов I¯ . Если
реакция проводится в избытке иодида калия, то кристалл будет
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
адсорбировать иодид-ионы; при избытке нитрата серебра
микрокристалл адсорбирует ионы Ag+. В результате этого
микрокристалл
приобретает
либо
отрицательный,
либо
положительный заряд. Ионы, сообщающие ему этот заряд, называются
потенциалопределяющими, а сам заряженный кристалл – ядром
мицеллы. Заряженное ядро притягивает из раствора ионы с
противоположным зарядом – противоионы; на поверхности раздела
фаз образуется двойной электрический слой. Некоторая часть
противоионов адсорбируется на поверхности ядра. Всю эту систему
называют коллоидной частицей или гранулой. Остальные
противоионы, число которых таково, что мицелла электронейтральна,
составляют
диффузный
слой
противоионов.
Противоионы
адсорбционного и диффузного слоев находятся в состоянии
динамического равновесия адсорбции – десорбции.
K+
K+
K+
K+
+
K
I−
−
I
K+
I−
Адсорбционный
слой противоионов
K+
Ядро
I−
I AgI −
I +
K+ I− − I− K
I
−
K+
K+
K+
+
K
K+
Рис. 2.
Строение
коллоидной
мицеллы
Диффузионный слой
противоионов
Зная строение мицеллы конкретного коллоидного раствора,
можно поддерживать устойчивость системы.
ИСТИННЫЕ РАСТВОРЫ
Истинными растворами называются гомогенные системы
переменного состава с размером частиц ≈10-10…10-9 м, состоящие из
двух или более компонентов. Компоненты раствора – это
растворитель и растворённые вещества. За растворитель принимается
вещество, которое имеет то же агрегатное состояние, что и раствор.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Если все вещества раствора находятся в одном и том же агрегатном
состоянии, то растворителем называют вещество, которое имеется в
большем
количестве.
Растворённое
вещество
равномерно
распределяется в растворителе, причем размер частиц растворённого
вещества истинного раствора сопоставим с размером молекул и ионов
(<10-9 м).
Растворы делятся по агрегатному состоянию на твёрдые,
жидкие и газообразные.
Наиболее значимую роль в природе, в химических и
биохимических процессах играют жидкие растворы, в которых
растворителем является вода. В промышленности часто в качестве
растворителя используют различные органические соединения,
например, спирты, ацетон, бензол, четыреххлористый углерод.
Примером газообразных растворов может быть воздух –
раствор кислорода и других газов в азоте. Твердыми растворами
являются многие сплавы, например, металлов друг с другом. Так,
золотые ювелирные украшения обычно изготавливаются из сплава
золота с недрагоценными металлами (медью, никелем и др.), а
реальное содержание золота в сплаве указывается пробой на изделии.
Растворимость вещества – это способность вещества
растворяться в том или ином растворителе. Растворимость веществ
сильно различается и определяется как природой самого вещества
(табл. 2), так и природой растворителя (табл. 3).
Таблица 3
Растворимость (%, масс.) KI в
различных растворителях при
20оС
Растворитель Растворимость
NH3(ж)
64.5
H2O
59.8
СН3ОН
14.97
С6Н5СN
0.05
С6Н5NO2
0.00016
Таблица 2
Растворимость (на 100 г
H2O) некоторых веществ в
воде при 20оС
Вещество Растворимость
C6H12O6
200
NaCl
36
H3BO3
5
CaCO3
0.0013
AgI
0.00000013
Возможны следующие случаи растворимости:
- неограниченная растворимость веществ друг в друге;
- ограниченная или частичная растворимость;
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- отсутствие растворимости (нерастворимость).
Так, газы при отсутствии химического взаимодействия
смешиваются друг с другом в любых соотношениях. Растворимость
газов в жидкостях определяется их способностью к сжижению,
температурой и давлением. Например, легко сжижаемые газы, такие,
как аммиак или хлороводород, более растворимы, чем трудно
сжижаемые (O2, H2).
С ростом температуры и давления растворимость газов
увеличивается по закону Генри (1803 г.): масса газа, растворимого в
данном
объеме
жидкости
при
постоянной
температуре,
пропорциональна его давлению. Это свойство используется, например,
для изготовления газированных напитков. Углекислый газ СО2
растворяют в жидкости при повышенном давлении в 3-4 атм. В этом
случае в данном объеме растворяется газа в 3-4 раза больше, чем при
нормальном давлении. Когда емкость с такой жидкостью открывают,
давление в ней падает и часть растворенного газа выделяется в виде
пузырьков.
Растворимость жидкостей друг в друге во многом определяется
строением их молекул. Неполярные жидкости, для которых
характерны слабые межмолекулярные взаимодействия, легко
растворяются друг в друге. Тогда как полярные и неполярные
жидкости, например вода и углеводороды, смешиваются друг с другом
плохо. То есть справедливо утверждение: «подобное растворяется в
подобном».
По содержанию растворенного вещества различают растворы
насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные, а по соотношению
количества растворенного вещества и растворителя – разбавленные и
концентрированные растворы.
Насыщенный раствор – это раствор, в котором вещество при
данной температуре и давлении больше не растворяется. В отличие от
насыщенного раствора, в ненасыщенном растворе можно растворить
дополнительное количество вещества. Пересыщенный же раствор
содержит растворенного вещества больше, чем его должно быть в
данных условиях в насыщенном растворе, поэтому представляет собой
неустойчивую систему, самопроизвольно переходящую в состояние
насыщенного раствора путем выпадения в осадок избытка
растворенного вещества.
Разбавленные растворы – растворы с небольшим содержанием
растворенного вещества; концентрированные растворы – растворы с
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
большим содержанием растворенного вещества. Для хорошо
растворимых веществ растворы могут быть ненасыщенными, но
довольно концентрированными. А для малорастворимых веществ даже
насыщенные растворы являются разбавленными.
Истинные растворы по заряду частиц, в которые превращается
растворяемое вещество под действием растворителя, делятся на
молекулярные (растворы неэлектролитов), молекулярно-ионные
(растворы слабых электролитов) и ионные (растворы сильных
электролитов). К неэлектролитам относятся растворы многих
органических веществ: сахарозы, мочевины, формальдегида и др.
Растворы электролитов проводят электрический ток. Электролиты
подразделяются на сильные (в растворе практически полностью
диссоциируют на ионы) и слабые (в незначительной степени
распадаются на ионы). Сильными электролитами являются почти все
соли, щелочи (LiOH, NaOH и т.д.) и некоторые неорганические
кислоты (HNO3, H2SO4, HCl, HBr, HI, HClO4). К слабым электролитам
относятся вода, органические (HCОOH, C6H5COOH) и неорганические
(H2S, H2CO3, HNO2, HCN) кислоты, водный раствор аммиака.
Основными параметрами, характеризующими состояние
раствора, являются концентрация, плотность, температура и давление.
Концентрация раствора – это величина, отражающая
соотношение между растворенным веществом и растворителем.
Рассмотрим основные способы выражения концентрации растворов.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА
Концентрацию раствора выражают различными способами в
зависимости от цели, которую преследует химик или технолог. Так, в
технике, медицине, экологии обычно более удобны процентные
концентрации. В лабораторной практике количество растворённого
вещества в растворе чаще выражают молярной концентрацией или
молярной концентрацией эквивалента (нормальной концентрацией).
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. МАССОВАЯ ДОЛЯ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА
(ПРОЦЕНТНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ)
Массовая доля растворенного вещества ω («омега») – это
отношение массы растворённого вещества mв к общей массе раствора
mраствора, выраженное в процентах или долях единицы:
ω=
mв
m раствора
⋅ 100 %
или
ω=
mв
m раствора
(1)
Общая масса раствора определяется как сумма масс растворенного
вещества mв и растворителя mрастворителя:
m раствора = mв + m растворителя
(2)
Пример 1. Какую массу фосфата калия и воды надо взять для
приготовления 250 г раствора с массовой долей К3РО4 8 %?
Дано:
Решение:
mраствора.= 250 г
Массовая доля К3РО4 определяется
ω=
m( K 3PO4 )
m раствора
ω (К3РО4) = 8 % или 0.08
по формуле:
m( K 3PO4 ) = ?
Отсюда m( K 3PO 4 ) = ω ⋅ m раствора
m( H 2 O ) = ?
m(K 3PO 4 ) = 0.08 ⋅ 250 г = 20 г
m( H 2O) = m раствора − m( K 3PO4 )
m(H2O) = 250 г − 20 г = 230 г
Ответ: для приготовления 250 г раствора с массовой долей К3РО4 8 %
необходимо взять 20 г фосфата калия и 230 г воды.
В задачах рассмотренного типа часто для взвешивания берется
не безводная соль, а соответствующие ей кристаллогидраты
(MgSO4⋅7H2O, CuSO4⋅5H2O, Na2SO4⋅10H2O и др.). В этом случае масса
соли, необходимой для приготовления раствора, будет больше, а масса
растворителя - меньше, потому что часть его уже имеется в
кристаллогидрате. Для решения таких задач предварительно следует
рассчитать, в каком количестве кристаллогидрата содержится нужное
количество безводной соли.
Количество вещества ν («ню») выражается в молях. Один
моль – количество вещества, которое содержит столько же частиц
(атомов, молекул или других), сколько содержится атомов в 0.012 кг
(12 г) изотопа углерода 126 С . Экспериментально установлено, что 1
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
моль вещества содержит 6.022·1023 (число Авогадро NA) частиц –
молекул, атомов, ионов или др.
Количество вещества ν определяется как отношение массы
вещества mв к его молярной массе М (массе одного моля этого
вещества):
ν=
mв
, моль
М
(3)
Пример 2. Какую массу медного купороса CuSO4 . 5H2O и воды надо
взять для приготовления раствора сульфата меди (II) массой 400 г с
массовой долей CuSO4 2 %?
Дано:
Решение:
mраствора.= 400 г
Массовая доля CuSO4 определяется
по формуле:
ω (CuSO4) = 2 % или 0.02
m(СuSO4 ⋅ 5H 2O) = ?
ω(СuSO4 ) =
m( H 2O ) = ?
Отсюда:
m(СuSO4 )
.
m раствора
m(СuSO4 ) = ω(СuSO4 ) ⋅ m раствора
m(СuSO4 ) = 0.02 ⋅ 400 г = 8 г .
Согласно формуле (3), количество безводного сульфата меди (II) в растворе
составляет:
ν(СuSO 4 ) =
m(СuSO 4 )
М (СuSO 4 )
=
8г
(63.5 + 32 + 4 ⋅ 16) г
= 0.05 моль
моль
Такое же количество CuSO4 должно содержаться в соответствующем
кристаллогидрате CuSO4 . 5H2O:
ν(СuSO4 ) = ν(СuSO4 ⋅ 5H 2O ) = 0.05 моль
Тогда масса CuSO4 . 5H2O, необходимого для приготовления раствора,
составляет:
m(СuSO 4 ⋅ 5H 2O) = M(СuSO 4 ⋅ 5H 2O) ⋅ ν(Ń(Ńu 4 ⋅ 5H 2O) =
= (63.5 + 32 + 4 ⋅ 16 + 5 ⋅ (2 ⋅ 1 + 16)) г
моль
⋅ 0.05 моль = 12.47 г
,
а необходимая масса воды:
m(H 2O) = mраствора − m(CuSO4 ⋅ 5H 2O) = 400 г − 12.47 г = 387.53 г
Ответ: для приготовления 400 г раствора с массовой долей CuSO4 2 %
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
необходимо взять 12.47 г медного купороса CuSO4 . 5H2O и 387.53 г
воды.
Часто в заданиях на приготовление жидких растворов вместо
массы указывается объём V растворителя или всего раствора. В этом
случае необходимо учитывать плотность ρ соответствующей
жидкости, тогда её массу легко рассчитать, используя формулы:
m раствора = Vраствора ⋅ ρ раствора
(4)
m растворителя = Vрастворителя ⋅ ρ растворителя
Для воды при нормальных условиях ρ = 1 г/см3 (1г/мл, 1кг/м3, 1000
г/м3).
2. МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ
(МОЛЯРНОСТЬ РАСТВОРА)
Молярная концентрация С – число молей ν растворённого
вещества в 1 л раствора – определяется соотношением
С=
ν
, моль/л
V
(5)
Часто размерность моль/л записывают буквой М. Например, раствор
концентрации 1 М содержит 1 моль вещества в литре раствора. Такой
раствор называют молярным. Раствор концентрации 0.1 М содержит
0.1 моль вещества в литре раствора и называется децимолярным.
Растворы концентрации 0.01 М (или 0.01 моль в литре) иногда
называют сантимолярными.
Пример 3. Сколько граммов вещества следует взять для приготовления
1 л 0.6 моль/л раствора К2СО3?
Дано:
Решение:
Из равенства (5) следует, что количество веVраствора.= 1 л
С (К2СО3) = 0.6 моль/л
щества К2СО3 в заданном растворе составляm( K 2CO3 ) = ?
ет:
ν( K 2CO3 ) = Vраствора ⋅ С( K 2CO3 )
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ν(K 2 CO3 ) = 1 л ⋅ 0.6 моль / л = 0.6 моль
Тогда из формулы (3) следует, что масса карбоната калия для
приготовления раствора равна:
m( K 2CO3 ) = M (K 2CO3 ) ⋅ ν( K 2CO3 )
m(K 2 CO 3 ) = (2 ⋅ 39.1 + 12 + 3 ⋅ 16) г
⋅ 0.6 моль = 82.92 г
моль
Ответ: для приготовления 1 л 0.6 моль/л раствора К2СО3 необходимо
взять 82.92 г вещества.
3. МОЛЯРНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ ЭКВИВАЛЕНТА
(НОРМАЛЬНАЯ КОНЦЕНТРАЦИЯ,
НОРМАЛЬНОСТЬ РАСТВОРА)
Молярная
концентрация
эквивалента
(нормальная
концентрация или нормальность раствора) n (или Сэкв) - это число
молей νэкв эквивалента растворённого вещества в 1 л раствора:
n=
ν экв
, моль⋅экв/л
V
(6)
Если 1 л раствора содержит 1 моль эквивалента растворенного
вещества, то раствор называют нормальным и обозначают 1 н., если 2
моль эквивалента – двунормальным и обозначают 2 н. Растворы,
которые содержат 0.001, 0.01, 0.1 моль эквивалента вещества в 1 л
раствора,
соответственно
называются
миллинормальными,
сантинормальными и децинормальными.
Количество эквивалента растворенного вещества νэкв находят как
отношение массы растворённого вещества mв к молярной массе его
эквивалента Мэкв:
ν экв =
mв
M экв
(7)
Молярная масса эквивалента вещества Мэкв – это отношение
молярной массы вещества Мв к числу эквивалентности zэкв:
М экв =
Мв
z экв
(8)
Число эквивалентности zэкв – реальная или условная частица
вещества, которая может замещать, присоединять или быть каким-
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
либо образом эквивалентной одному иону водорода в обменных
реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных
реакциях. Число эквивалентности определяется природой вещества и
конкретной химической реакцией.
В частности, для кислоты число эквивалентности zэкв
определяется числом атомов водорода, которые могут быть замещены
в молекуле кислоты на атомы металла:
М экв =
М кислоты
;
число замещаемых в реакции атомов водорода
для основания zэкв определяется числом гидроксидных групп, которые
могут быть замещены на кислотный остаток:
М экв =
М основания
.
число замещаемых в реакции гидроксидных групп
Для многоосновных кислот и многокислотных оснований
число эквивалентности в различных реакциях может быть разным.
Для соли значение числа эквивалентности определяется по
катиону: zэкв = q·х, где q – заряд катиона металла, х – число катионов в
формуле соли:
М экв =
М соли
.
q⋅x
(9)
Пример 4. Вычислите число эквивалентности НСl, Н2SO4, Сr(OH)3,
KNO3, Na3PO4, Cr2(SO4)3.
В НСl один атом водорода может быть замещен на атом металла,
поэтому число эквивалентности zэкв = 1;
в Н2SO4 два атома водорода могут быть замещены на атомы металла,
поэтому zэкв = 2;
в Сr(OH)3 три гидроксидных группы могут быть замещены на
кислотный остаток, поэтому zэкв = 3;
для KNO3 q = 1, x = 1, zэкв = q · x = 1 · 1 = 1;
для Na 3PO 4 q = 1, x = 3, zэкв = q · x = 1 · 3 = 3;
для Cr2(SO4)3 q = 3, x = 2, zэкв = q · x = 3 · 2 = 6.
Пример 5. Вычислите число эквивалентности Н2SO4 в следующих
реакциях:
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
а) H2SO4 + 2KOH → K2SO4 + 2H2O;
б) Н2SO4 + KOH → KHSO4 + H2O
В реакции а) в молекуле серной кислоты замещается два атома
водорода, следовательно, число эквивалентности zэкв = 2.
В реакции б) в молекуле серной кислоты замещается один атом
водорода и zэкв = 1.
Пример 6. Вычислите молярную массу эквивалента сульфата и
нитрата алюминия (III).
М экв ( Al 2 (SO4 )3 ) =
М ( Al 2 (SO4 )3 ) ( 2 ⋅ 27 + 3 ⋅ (32 + 4 ⋅ 16))
=
=
q⋅х
3⋅ 2
=
М экв ( Al( NO3 )3 ) =
342
= 57 г / моль ⋅ экв
6
М ( Al( NO3 )3 ) ( 27 + 3 ⋅ (14 + 3 ⋅ 16))
=
=
q⋅х
3 ⋅1
=
213
= 71 г / моль ⋅ экв
3
Пример 7. Вычислите массу хлорида бария, необходимую для
приготовления 1 л 0.15 н. раствора.
Дано:
Решение:
Найдем молярную массу эквивалента BaCl2:
Vраствора.= 1 л
n(BaCl2)= 0.15 н.
m( BaCl 2 ) = ?
М ( BaCl 2 ) (137.3 + 2 ⋅ 35.5)
=
=
q⋅х
2 ⋅1
= 104.15 г / моль ⋅ экв
М экв ( BaCl 2 ) =
Из формул (6) и (7) следует:
m(BaCl 2 ) = ν экв (BaCl 2 ) ⋅ М экв (BaCl 2 ) = n(BaCl 2 ) ⋅ V ⋅ M экв (BaCl 2 )
m(BaCl 2 ) = 0.15 ⋅ 1 ⋅ 104.15 = 15.62 г
Ответ: для приготовления 1 л 0.15 н. раствора BaCl2 необходимо
взять 15.62 г хлорида бария.
Рассмотренные способы выражения концентрации раствора
являются наиболее употребляемыми, поэтому часто возникает
необходимость перевода молярной концентрации в нормальную или
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
наоборот. В некоторых случаях молярность и нормальность растворов
совпадают, например, для хлороводородной кислоты HCl, т. к. при
диссоциации этой кислоты образуется из одной молекулы HCl один
ион водорода Н+, то есть число эквивалентности zэкв = 1, и 1 н. раствор
соляной кислоты будет одновременно 1 M раствором. Однако для
большинства соединений молярная масса эквивалента Мэкв не равна
молярной массе М и, следовательно, нормальная концентрация n
растворов этих веществ не равна молярной концентрации C.
Для пересчета из одной концентрации в другую можно
использовать формулы:
C = (n ⋅ Мэкв) / M =
n / zэкв
(10)
n = (C ⋅ M) / Мэкв = C ⋅ zэкв
(11)
Пример 8. Определите молярную концентрацию 0.5 н. раствора
карбоната натрия Na2CO3.
Дано:
Решение:
n(Na 2CO3 ) = 0.5 н. Молярная масса Na2CO3 :
С(Na 2CO3 ) = ?
М ( Na 2CO3 ) = 2·23 + 12 + 3·16 = 106 г/моль
Молярная масса эквивалента Na2CO3 :
М ( Na 2CO3 ) 106
М экв ( Na 2CO3 ) =
=
= 53 г / моль ⋅ экв
q⋅х
1⋅ 2
Согласно формуле (10):
С( Na 2CO3 ) = (0.5 ⋅ 53) / 106 = 0.25 моль / л
Ответ: молярная концентрация 0.5 н. раствора Na2CO3 составляет
0.25 моль/л.
Перевести процентную концентрацию в молярную или
нормальную можно используя формулы (1), (3-8).
Пример 9. Рассчитайте молярность и нормальность 70 % раствора
серной кислоты (ρ = 1.615 г/мл).
Дано:
Решение:
Пусть масса раствора Н2SO4 100 г, тогда
ω (Н2SO4) = 70 % или 0.7
ρраствора = 1.615 г/мл
его объём:
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Vраствора =
С(Н2SО4) = ? n(Н2SО4) = ?
m раствора
ρ раствора
=
100 г
=
1.615 г мл
= 61.92 мл = 0.06192 л
Из формулы (1) масса растворенной в 100 г раствора серной
кислоты:
m(Н 2SO 4 ) = ω(Н 2SO 4 ) ⋅ m раствора = 0.7 ⋅ 100 г = 70 г
Молярная масса серной кислоты: M ( Н 2SO4 ) = 98 г моль
Молярная масса эквивалента серной кислоты:
М экв ( Н 2SO4 ) =
M ( Н 2SO4 ) 98 г моль
=
= 49 г моль ⋅ экв
z экв
2
Из формул (5) и (3) молярная концентрация Н2SO4 в растворе равна:
С( Н 2SO4 ) =
С( Н 2SO4 ) =
m( Н 2SO4 )
ν( Н 2SO4 )
=
Vраствора
M ( Н 2SO4 ) ⋅ Vраствора
70 г
= 11.53 моль л = 11.53 М
98 г моль ⋅ 0.06192 л
Из формулы (11) нормальная концентрация Н2SO4 в растворе
составляет:
С( Н 2SO4 ) ⋅ М ( Н 2SO4 )
М экв ( Н 2SO4 )
11.53моль / л ⋅ 98 г / моль
n ( Н 2SO4 ) =
= 23.06 моль ⋅ экв л = 23.06 н.
г
49
моль ⋅ экв
n ( Н 2SO4 ) =
Ответ: молярная концентрация (молярность) и молярная
концентрация эквивалента (нормальность) 70% раствора H2SO4 с
плотностью 1.615 г/мл составляют 11.53 М и 23.06 н. соответственно.
Из приведенного примера можно вывести формулы для
пересчета процентной концентрации раствора в молярную или
нормальную:
С=
ω ⋅ ρ ⋅ 10
,
М
17
(11)
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
n=
ω ⋅ ρ ⋅ 10
,
М экв
(12)
где массовая доля ω выражена в процентах (%).
4. МОЛЬНАЯ ДОЛЯ (МОЛЬНЫЕ ПРОЦЕНТЫ)
Мольная доля ων – это отношение числа молей растворённого
вещества νв к общему числу молей раствора νраствора (растворенного
вещества и растворителя вместе), выраженное в процентах или долях
единицы:
ων =
νв
ν раствора
или
⋅ 100 %
ων =
νв
ν раствора
(13)
где ν раствора = ν в + ν растворителя .
5. МОЛЯЛЬНОСТЬ РАСТВОРА
Моляльность раствора сm – это число молей ν растворённого
вещества в 1 кг растворителя:
сm =
ν
m растворителя
, моль/кг
(14)
6. ТИТР РАСТВОРА
Титр – масса растворённого вещества в 1 мл (1 см3) раствора
или величина, измеряемая отношением массы вещества к объёму
раствора:
Т=
mв
Vраствора
, г/мл (кг/м3, г/см3)
(15)
Этот способ выражения концентрации часто используется в
количественном анализе.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ
Коллигативными (коллективными или взаимосвязанными)
свойствами разбавленных растворов нелетучих веществ называют
свойства, зависящие от количества частиц растворенного вещества, а
не от его природы. К коллигативным свойствам относятся:
1. Понижение давления пара растворителя над раствором.
2. Повышение температуры кипения раствора по сравнению с
температурой кипения растворителя.
3. Понижение температуры замерзания раствора по сравнению
с температурой замерзания растворителя.
4. Осмотическое давление.
Если растворы имеют одинаковые коллигативные свойства, то
они называются изотоничными.
1. Понижение давления пара растворителя над раствором
определяется законом Рауля: относительное понижение давления пара
растворителя (р0) над раствором (р) равно мольной доле растворенного
вещества ων (13):
Давление
р0 − р
= ων .
0
р
p0
(16)
2. Повышение температуры кипения раствора по сравнению с
температурой
Чистый растворитель
кипения растворителя
Это
Жидкая фаза
1 3
p
2
Температура
Рис. 3. Влияние
Раствор растворенного вещества
на температуру
Паровая
кипения раствора
21 фаза
Tкип. (раствора)
Tкип. (растворителя)
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Этот закон справедлив для идеальных растворов – растворов, где нет
предпочтения при взаимодействии между частицами растворителя и
растворенного вещества. Но с достаточной степенью достоверности
этот закон можно применять и к очень разбавленным растворам
неэлектролитов.
Второе и третье из коллигативных свойств представляют собой
следствия из закона Рауля.
коллигативное свойство растворов хорошо иллюстрирует рис.3 [6].
Если давление пара растворителя (р0) равно атмосферному
давлению, то растворитель кипит при температуре Ткип.(растворителя)
(точка 1). При добавлении к растворителю нелетучего вещества
давление пара растворителя уменьшится по закону Рауля до некой
величины (р) (точка 2). Так как это давление меньше атмосферного, то
раствор уже не кипит. Чтобы он снова закипел, необходимо повысить
его температуру, переходя по пунктирной кривой из точки 2 в точку 3,
в которой давление пара снова станет равным атмосферному.
Таким образом, температура кипения растворов нелетучего
вещества всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя
при том же давлении:
(17)
Ткип. (раствора) = Ткип. (растворителя) + ∆Ткип.
Изменение температуры можно рассчитать математически.
Для идеального раствора и разбавленных растворов
неэлектролитов:
∆Ткип. = Е⋅сm,
(18)
где Е – эбулиоскопическая константа растворителя, кг⋅К/моль (К –
температура по шкале Кельвина), сm – моляльная концентрация
раствора, моль/кг (14).
Для растворов электролитов:
∆Ткип. = i⋅Е⋅сm,
(19)
где i – изотонический коэффициент, равный отношению реально
наблюдаемой величины, характеризующей какое-либо свойство
раствора, к такой же величине, но рассчитанной для идеального
раствора. Величина i связана с наличием в растворе взаимодействия
между компонентами и с распадом растворенного вещества на ионы.
Значения температуры кипения и эбулиоскопической
константы Е некоторых распространенных растворителей приведены в
табл. 4.
3. Понижение температуры замерзания раствора
сравнению с температурой замерзания растворителя
20
по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Раствор в отличие от чистой жидкости не отвердевает целиком при
постоянной температуре. При некоторой температуре, называемой
температурой начала кристаллизации, начинают выделяться кристаллы
растворителя, и по мере кристаллизации температура раствора понижается.
Поэтому под температурой замерзания раствора всегда понимают именно
температуру начала кристаллизации, а в литературе часто температуру
замерзания называют температурой кристаллизации Ткрист. или
температурой плавления Тпл..
Понижение температуры замерзания раствора по сравнению с
температурой
замерзания
растворителя
также
можно
проиллюстрировать р – Т диаграммой (рис. 4), из которой видно, что:
Тзам. (раствора) = Тзам. (растворителя) – ∆Тзам..
Давление
Чистый растворитель
Жидкая
фаза
Твердая
фаза
Раствор
(20)
Рис. 4. Влияние
растворенного вещества
на температуру
замерзания раствора
Паровая
фаза
Tзам. (растворителя)
Tзам. (раствора)
Температура
Для идеального раствора и разбавленных растворов
неэлектролитов:
(21)
∆Тзам. = К⋅сm,
где К – криоскопическая константа растворителя, кг⋅К/моль.
Для растворов электролитов:
∆Тзам. = i ⋅ К ⋅ сm.
(22)
Значения температуры замерзания и криоскопической
константы К для некоторых распространенных растворителей также
приведены в табл. 4.
Таблица 4
Константы некоторых растворителей
Растворитель
Ткип.,оС Е, кг⋅К/моль Тзам.,оС К, кг⋅К/моль
Вода, Н2О
100
0.52
0
1.86
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
окончание таблицы
Бензол, С6Н6
Тетрахлорид
углерода, ССl4
Сероуглерод, СS2
Хлороформ, СНСl3
Этиловый
эфир,
С4Н10О
80.1
76.5
2.53
5.03
5.4
-23
5.12
30
46.2
61.7
34.5
2.34
3.63
2.02
-111.5
-63.5
-116.2
3.83
4.7
1.79
4. Осмотическое давление
Для демонстрации явления осмоса используют емкость, стенки
которой представляют собой полупроницаемую мембрану –
перегородку, пропускающую молекулы растворителя, но не
пропускающую более крупные молекулы растворенного вещества. В
эту емкость наливают раствор и вносят ее в стакан с чистым
растворителем. При этом молекулы растворителя через мембрану
будут переходить в раствор. Это явление называется осмосом.
То есть, осмосом называется односторонний перенос
растворителя через полупроницаемую мембрану из чистого
растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в
раствор с большей концентрацией. Это явление обусловлено
стремлением системы к термодинамическому равновесию и
выравниванию концентрации раствора по обе стороны от мембраны.
Чтобы предотвратить осмос, необходимо к раствору приложить
избыточное внешнее давление, которое и называется осмотическим
давлением π, Па или атм. (1 атм = 101325 Па).
Расчет осмотического давления для идеальных растворов
проводят, используя уравнение Вант-Гоффа:
(23)
π = С ⋅ R ⋅ T , Па
где С – молярная концентрация раствора (5), выраженная в моль/м3
(103⋅моль/л), R = 8.31 Дж/(К⋅моль) – универсальная газовая
постоянная, Т – температура, К.
Для растворов электролитов расчет ведут с учетом
изотонического коэффициента:
(24)
π = i ⋅ С ⋅ R ⋅ T , Па
Явление осмоса играет важную роль в жизни биологических
объектов, так как стенки клеток живых организмов представляют
собой как раз полупроницаемые перегородки.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Коллигативные свойства в настоящее время используются
чаще всего для определения молекулярных масс неизвестных
нелетучих веществ.
Пример 10. Определите
температуру кипения и температуру
замерзания раствора, полученного растворением 3 г глюкозы С6Н12О6 в
100 мл воды.
Дано:
m(С6Н12О6)= 3 г
V(H2O) = 100 мл
Решение:
По формуле (14) моляльная концентрация
раствора глюкозы равна:
Ткип.(раствора),Тзам.(раствора)=?
с m (С 6 Н 12 О 6 ) =
ν(С 6 Н 12 О 6 )
m растворителя
Количество вещества глюкозы и масса растворителя (воды)
составляют:
ν(С 6 Н 12 О 6 ) =
=
m(С 6 Н 12 О 6 )
=
M (С 6 Н 12 О 6 )
3г
(6 ⋅ 12 + 12 ⋅ 1 + 6 ⋅ 16) г
= 0.0167 моль;
моль
m(H 2O) = V(H 2O) ⋅ ρ(H 2O) = 100 мл ⋅1 г
= 100 г = 0.1 кг.
мл
Тогда:
0.0167 моль
с m (С 6 Н12 О 6 ) =
= 0.167 моль/кг
0.1 кг
Раствор глюкозы не является электролитом. Тогда, согласно (18),
температура кипения раствора глюкозы повысилась по сравнению с
температурой кипения воды на
∆Tкип. = E ⋅ c m ,
где Е = 0.52 кг⋅К/моль – эбулиоскопическая константа воды (табл. 4).
∆Tкип. = 0.52 кг ⋅ К
⋅ 0.167 моль = 0.087 К или 0.087о С
моль
кг
Тогда температура кипения раствора глюкозы составляет:
Ткип.(раствора) = Ткип.(H2O) + ∆Ткип.=100 + 0.087 = 100.087оС
Согласно (21), температура замерзания раствора глюкозы понизилась
по сравнению с температурой замерзания воды на:
∆Тзам. = К⋅сm,
где К – криоскопическая константа воды, равная 1.86 кг⋅К/моль (табл. 4).
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
∆Tзам. = 1.86 кг ⋅ К
моль
⋅ 0.167 моль
кг
= 0.311 К или 0.311о С
Тогда температура замерзания раствора глюкозы составляет:
Тзам. (раствора) = Тзам.(H2O) – ∆Тзам.= 0 – 0.311 = -0.311оС
Ответ: температура кипения и замерзания раствора глюкозы
составляет 100.087оС и -0.311оС соответственно.
Пример 11. Определите температуру кипения раствора СаСl2,
полученного при растворении 7.5 г хлорида кальция в 100 мл воды.
Эбулиоскопическая константа воды 0.52 кг⋅К/моль, изотонический
коэффициент i = 2.65.
Дано:
Решение:
m(СaCl2)= 7.5 г
По формуле (14) моляльная концентрация
V(H2O) = 100 мл
раствора хлорида кальция равна:
Е(H2O) = 0.52 кг⋅К/моль
с m (СaCl 2 ) =
ν(СaCl 2 ) .
m растворителя
Количество вещества хлорида кальция и масса растворителя (воды) составляют:
i = 2.65
Ткип.(раствора)=?
ν(CaCl 2 ) =
m(CaCl 2 )
7.5 г
=
M(CaCl 2 ) (40 + 2 ⋅ 35.5)г
= 0.0676 моль
моль
m( H 2O) = V( H 2O) ⋅ ρ( H 2O) = 100 мл ⋅1 г
= 100 г = 0.1 кг
мл
Тогда:
с m (СaCl 2 ) =
0.0676 моль
= 0.676 моль/кг
0.1 кг
Раствор хлорида кальция является электролитом, поэтому, согласно
(19), температура кипения раствора хлорида кальция повысилась по
сравнению с температурой кипения воды на:
∆Tкип.
∆Tкип. = i ⋅ E ⋅ c m
= 2.65 ⋅ 0.52 кг ⋅ К
⋅ 0.676 моль = 0.93 К или 0.93о С и
моль
кг
составляет:
Ткип.(раствора) = Ткип.(H2O) + ∆Ткип.=100 + 0.93 = 100.93оС
Ответ: температура кипения раствора СаСl2 составляет 100.93оС
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Пример 12. Определите состав молекулы белого фосфора, если
известно, что раствор, полученный при растворении 0.1155 г фосфора в
19.03 г бензола, замерзает при 5.15оС.
Дано:
Решение:
m(фосфора) = 0.1155 г
Используем формулу (21):
∆Тзам. = К⋅сm.
m(С6 Н6) = 19.03 г
Тзам.(раствора) = 5.15оС
Из (20) найдем:
М(фосфора) =?
∆Тзам. = Тзам.(растворителя) – Тзам.(раствора),
где Тзам. (растворителя)= Тзам.(С6 Н6) = 5.4оС (табл. 4).
Тогда ∆Тзам. = 5.4 – 5.15 = 0.25оС или 0.25 К.
Из табл. 4 для бензола криоскопическая константа К равна 5.12
кг⋅К/моль. Тогда моляльная концентрация раствора:
сm = ∆Тзам./К = 0.25/5.12 = 0.049 моль/кг = 4.9⋅10−5 моль/г.
Из формул (14) и (3):
с m (фосфора) =
m(фосфора)
ν(фосфора)
=
mС Н
M (фосфора) ⋅ m С6 Н 6
6 6
Отсюда молярная масса белого фосфора:
M (фосфора ) =
=
m(фосфора )
=
с m (фосфора ) ⋅ m С6 Н 6
0.115 5 г
= 123.8 г/моль
4.9 ⋅ 10 моль/г ⋅ 19.03 г
−5
Поскольку молярная масса фосфора равна 30.97 г/моль и 123.8/30.97 =
4, то молекула белого фосфора имеет состав Р4.
Ответ: молекула белого фосфора имеет состав Р4.
Пример 13. Определите объем раствора, в котором растворен 1 моль
сахара, если этот раствор изотоничен 0.1 М раствору хлорида натрия (i
= 1.9).
Дано:
Решение:
Изотоничные растворы имеют одинакоν (сахара) = 1 моль
С(NaCl) = 0.1 моль/л
вые коллигативные свойства, например,
i = 1.9
осмотическое давление. Раствор NaCl
V(H2O) = ?
является электролитом, осмотическое
давление для него можно определить по
формуле (24):
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
π1 = i ⋅ С NaCl ⋅ R ⋅ T ,
раствор сахара – неэлектролит, осмотическое давление для него
определяется по формуле (23):
π 2 = С сахара ⋅ R ⋅ T .
Растворы изотоничны, значит:
или
π1 = π 2
i ⋅ С NaCl = С сахара = 1.9 ⋅ 0.1 моль / л = 0.19 моль / л
Из (5):
V( раствора ) =
ν
Cсахара
=
1 моль
= 5.26 л
0.19 моль / л
Ответ: раствор сахара должен иметь объем 5.26 л.
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1. Для заливки в новый автомобильный аккумулятор нужен
36 % раствор серной кислоты. Какой объём концентрированной
серной кислоты, имеющей плотность 1.84 кг/л, необходимо взять для
приготовления 10 кг аккумуляторной жидкости? (Ответ: 1.96 л)
2. Всем известная настойка йода представляет собой 5%
раствор йода в спирте. Сколько кристаллического йода и сколько
спирта необходимо взять для приготовления 10 г настойки йода?
(Ответ: 0.5 г I2 и 9.5 г спирта)
3. Сколько граммов Na2SO4 следует растворить в 400 г воды
для получения 8 % раствора? (Ответ: 34.8 г)
4. В воде массой 40 г растворили железный купорос FeSO4 . 7
H2O массой 3.5 г. Определите массовую долю безводного сульфата
железа (II) в полученном растворе. (Ответ: 4.56 %)
5. В лаборатории имеется раствор с массовой долей гидроксида
натрия 30 %, плотность которого 1.33 г/мл. Какой объём этого
раствора надо взять для приготовления раствора объёмом 250 мл с
массовой долей гидроксида натрия 14 % и плотностью 1.15 г/мл?
(Ответ: 101 мл)
6. К раствору массой 250 г, массовая доля соли в котором
составляет 10 %, прилили воду объёмом 150 мл. Приняв плотность
воды равной 1 г/мл, определите массовую долю соли в полученном
растворе. (Ответ: 6.25 %)
7. При упаривании раствора сульфата натрия соль выделяется в
виде кристаллогидрата Na2SO4.10H2O. Какую массу кристаллогидрата
можно получить из раствора объёмом 200 мл с массовой долей
сульфата натрия 15 %, плотность которого 1.14 г/мл? (Ответ: 77.6 г)
8. Сколько хлорида калия следует добавить к 450 г 8 %
раствора той же соли для получения 12 % раствора? (Ответ: 20.5 г)
9. Сколько граммов вещества следует взять для приготовления
100 мл 0.4 моль/л раствора BaBr2? (Ответ: 11.88 г)
10. Сколько граммов растворенного вещества содержится в 1 л
раствора Al2(SO4)3 с концентрацией 0.1 моль/л? (Ответ: 34.2 г)
11. К 300 мл раствора гидроксида калия с массовой долей КОН
20 % и плотностью 1.2 г/мл прибавили КОН массой 40 г. Определите
массовую долю КОН в новом растворе. (Ответ: 28 %)
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12. Какова молярная и нормальная концентрация 12 %
раствора серной кислоты, плотность которого р = 1.08 г/см3? (Ответ:
1.32 моль/л; 2.64 н.)
13. Определите, какая масса ортофосфорной кислоты
содержится в растворе объемом 0.5 л, если молярная концентрация
эквивалента кислоты равна 0.3 моль⋅экв/л (0.3 н.). (Ответ:4.9 г)
14. В 250 мл раствора содержится 4.9 г серной кислоты.
Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента серной кислоты в
растворе. (Ответ: 0.4 н. или 0.4 моль⋅экв/л)
15. Определите молярную концентрацию раствора с массовой
долей NaOH 20 %, плотность которого 1.22 г/мл. (Ответ: 6.1 моль/л)
16. Вычислите молярную и нормальную концентрацию
раствора азотной кислоты с массовой долей HNO3 30 %. Плотность
раствора равна 1.18 г/см3. (Ответ: 5.62 моль/л и 5.62 н.)
17. Какой объем раствора с массовой долей Н2SO4 9.3 % и
плотностью 1,05 г/мл потребуется для приготовления 40 мл раствора
серной кислоты с концентрацией 0.35 М? (Ответ: 14 мл)
18. Соединение массой 0.3 г, имеющее молекулярную массу
329.3 г/моль, растворено в 10 г воды. Определите температуру
кипения и температуру замерзания этого раствора. Эбулиоскопическая
константа воды 0.52 кг⋅К /моль, криоскопическая константа воды 1.86
кг⋅К /моль. (Ответ: 100,047оС и -0.169оС)
19. Раствор глутаминовой кислоты в воде содержит 1.5 г
кислоты на 100 г воды. Температура замерзания этого раствора равна 0.189оС. Какова молекулярная масса глутаминовой кислоты?
Криоскопическая константа воды равна 1.86 кг⋅К /моль (Ответ: 147.6
г/моль)
20. Определите, на сколько градусов понизится температура
замерзания раствора при растворении 20 г белка цитохрома с,
имеющего молекулярную массу 12400 г/моль, в 1 л воды.
Криоскопическая константа воды равна 1.86 кг⋅К /моль (Ответ:
0.003оС)
21. Вычислите осмотическое давление, обусловленное
растворением при 25оС 20 г белка цитохрома с, имеющего
молекулярную массу 12400 г/моль, в таком количестве воды, чтобы
общий объем достиг 1 л, если мембрана пропускает молекулы воды,
но не пропускает молекулы цитохрома с. (Ответ: 3996,2 Па или 0.039
атм)
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Цель
концентрации.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Приготовление растворов
заданной концентрации
работы:
приготовление
растворов
различной
Задание А: Приготовить раствор заданной молярной
концентрации
растворением
безводного
вещества
или
кристаллогидратата в воде.
Приборы и реактивы: аналитические весы и разновес, колба
мерная на 50, 100, 200 или 250 мл, стакан на 100 мл, мерный цилиндр,
воронка, палочка стеклянная, фарфоровая ложечка или шпатель, вода
дистиллированная, безводное вещество или кристаллогидрат.
Получить вариант задания у преподавателя в виде
трехзначного числа XYZ (табл. 5), где X – формула вещества, Y – его
концентрация в растворе, Z – объём раствора, который Вы должны
приготовить.
Таблица 5
Варианты задания
Вещество
Объём
Y Концентрация, Z
X
раствора, мл
моль/л
1
Na2SO4·10H2O
1
0.01
1
250
2
K2SO4
2
0.025
2
200
3
(NH4)2SO4
3
0.05
3
100
4
NiSO4·7H2O
4
0.075
4
50
5
NiCl2·6H2O
5
0.1
6
NaCl
7
Na2CO3·10H2O
8
AlCl3·6H2O
9 Al2(SO4)3·18H2O
10
CuSO4·5H2O
11
CdCl2·2.5H2O
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ход работы
1. Рассчитайте, сколько граммов вещества требуется для
приготовления раствора заданной концентрации и объёма. Проверьте
расчет у преподавателя.
2. Проверьте растворимость заданного вещества в воде
(табл.6).
Таблица 6
Растворимость веществ в воде
Вещество
Растворимость в 100 г воды (г)
№
При 20оС
При 100оС
1
Na2SO4·10H2O
Х.р.
Х.р.
2
K2SO4
11.11
24.1
3
(NH4)2SO4
75.4
103.3
4
NiSO4·7H2O
75.6 (15 оС)
475.8
5
NiCl2·6H2O
254
599
6
NaCl
36
39.1
7
Na2CO3·10H2O
21.5 (оС)
421 (104 оС)
8
AlCl3·6H2O
Р.
Х.р., разл.
9
Al2(SO4)3·18H2O
Х.р.
Х.р.
10
CuSO4·5H2O
31.6 (0 оС)
203.3
11
CdCl2·2.5H2O
168
180
Р. – растворимо, разл. – химически взаимодействует с водой
(гидролиз), х.р. – хорошо растворимо.
3. Взвесьте на лабораторных аналитических весах пустой
стакан, запишите его массу.
!!! Работа с весами требует очень большой аккуратности. В случае
возникновения
затруднений
при
взвешивании
или
неработоспособности весов необходимо сразу сообщать об этом
лаборанту.
4. Сложите массу стакана и массу рассчитанной в пункте 1
навески заданного вещества. Выставьте набор гирь, соответствующий
суммарной массе, на правую чашку весов.
5. Небольшими порциями с помощью фарфоровой ложки или
шпателя добавляйте в стакан, стоящий на левой чашке весов,
необходимое вещество, пока чашки весов не уравновесятся.
!!! Не загрязняйте реактивы. Каждая склянка с реактивом подписана
и имеет собственный шпатель; при взятии реактивов нельзя
пользоваться шпателями от других склянок. Не ссыпайте обратно в
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
реактивные склянки взятые в избытке или просыпанные реактивы.
Такая экономия может испортить весь реактив в реактивной
склянке.
6. Добавьте в стакан немного дистиллированной воды,
растворите кристаллы, перемешивая раствор стеклянной палочкой.
7. Используя воронку, перелейте раствор в мерную колбу
заданного объёма.
Мерная колба представляет собой плоскодонную колбу с
тонким горлом, на котором по стеклу нанесена кольцеобразная метка.
Мерные колбы делают таким образом, что объём раствора достигает
точно указанной на колбе величины, когда водный мениск (уровень
воды, слегка изогнутый силами поверхностного натяжения) касается
метки своей нижней частью.
8. Долейте раствор дистиллированной водой до метки.
Последние капли удобно переносить в мерную колбу с помощью
стеклянной палочки.
9. Покажите раствор преподавателю.
10. Перелейте готовый раствор в специальную колбу.
11. Приведите в порядок рабочее место, вымойте
использованную посуду.
12. Опишите ход работы в лабораторной тетради и сделайте
вывод по работе.
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Задание Б: Приготовить раствор с заданной массовой долей
растворенного вещества растворением безводного вещества или
кристаллогидратата.
Приборы и реактивы: технохимические весы и разновес,
стакан на 100 или 150 мл, мерный цилиндр, палочка стеклянная,
фарфоровая ложечка или шпатель, вода дистиллированная, безводное
вещество или кристаллогидрат.
Получить вариант задания у преподавателя в виде
трехзначного числа XYZ (табл. 7), где X – формула вещества, Y –
массовая доля вещества в растворе, Z – масса раствора, который Вы
должны приготовить.
Таблица 7
Варианты задания
Вещество
ω, %
Масса раствора, г
X
Y
Z
1
Na2SO4·10H2O
1
1
1
100
2
K2SO4
2
2
2
70
3
(NH4)2SO4
3
3
3
50
4
NiSO4·7H2O
4
4
5
NiCl2·6H2O
5
5
6
NaCl
7
Na2CO3·10H2O
8
AlCl3·6H2O
9
Al2(SO4)3·18H2O
10
CuSO4·5H2O
11
CdCl2·2.5H2O
Ход работы
1. Рассчитайте, сколько граммов вещества и сколько
миллилитров воды потребуется для приготовления раствора заданной
массы с указанной Вам массовой долей растворенного вещества. При
расчете примите, что плотность готового раствора совпадает с
плотностью чистой воды (т.к. растворы очень разбавленные) и
составляет ρ = 1 г/мл. Проверьте расчет у преподавателя.
2. Проверьте растворимость заданного вещества в воде,
используя таблицу 6 задания А.
3. Взвесьте на лабораторных технохимических весах пустой
стакан нужного объёма, запишите его массу.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
!!! Работа с весами требует очень большой аккуратности. В случае
возникновения затруднений при взвешивании необходимо сразу
сообщать об этом лаборанту.
4. Сложите массу стакана и массу рассчитанной в пункте 1
навески заданного вещества. Выставьте набор гирь, соответствующий
суммарной массе, на правую чашку весов.
5. Небольшими порциями с помощью фарфоровой ложки или
шпателя добавляйте в стакан, стоящий на левой чашке весов,
необходимое вещество, пока чашки весов не уравновесятся.
!!! Не загрязняйте реактивы. Каждая склянка с реактивом подписана
и имеет собственный шпатель, при взятии реактивов нельзя
пользоваться шпателями от других склянок. Не ссыпайте обратно в
реактивные склянки взятые в избытке или просыпанные реактивы.
Такая экономия может испортить весь реактив в реактивной
склянке.
6. Используя мерный цилиндр, отмерьте рассчитанный в
пункте 1 объём дистиллированной воды
7.
Понемногу
добавляя
в
стакан
с
веществом
дистиллированную воду из цилиндра, растворите кристаллы,
перемешивая раствор стеклянной палочкой.
8. Покажите раствор преподавателю.
9. С помощью ареометра измерьте действительную плотность
полученного раствора.
Ареометр представляет поплавок с дробью или ртутью и
узким отростком – трубкой, в которой находится шкала с делениями.
В различных жидкостях он погружается на разную глубину. При этом
он вытесняет объемы этих жидкостей одной и той же массы, равной
массе ареометра, и, следовательно, обратно пропорциональные их
плотности. То деление шкалы, до которого ареометр погружается в
жидкость, показывает плотность этой жидкости. Метод измерения
плотности раствора с помощью ареометра называется денсиметрия.
10. Перелейте готовый раствор в специальную колбу.
11. Приведите в порядок рабочее место, вымойте
использованную посуду.
12. Опишите ход работы в лабораторной тетради и сделайте
вывод по работе.
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тамм, М.Е. Неорганическая химия: учебник для студ.
ВУЗов: в 3 т. Т.1: Физико-химические основы неорганической химии /
М.Е. Тамм, Ю.Д. Третьяков. – М.: Издательский центр «Академия»,
2004. – 204 с.
2. Коржуков, Н.Г. Общая и неорганическая химия / Н.Г.
Коржуков. – М.: МИСИС: ИНФРА-М, 2004. – 512 с.
3. Хомченко, Г.П. Задачи для поступающих в вузы / Г.П.
Хомченко, И.Г. Хомченко. - М.: Высшая школа, 1996. – 260 с.
4. Лидин, Р.А. Неорганическая химия в вопросах / Р.А. Лидин,
Л.Ю. Аликберова, Г.П. Логинова. – М.: Химия, 1991. – 256 с.
5. Химия / А.А. Гуров [и др.]. – М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э.
Баумана, 2004. – 777 с.
6. Дикерсон, Р. Основные законы химии: в 2 т. / Р. Дикерсон, Г.
Грей, Д. Хейт. – М.: Мир,1982.
7. Карапетьянц, М.Х. Общая и неорганическая химия / М.Х.
Карапетьянц, С.И. Дракин. – М.: Химия, 2000, 592 с.
8. Габриелян, О.С. Химия / О.С. Габриелян, И.Г. Остроумов. –
М.: Дрофа, 2005, 703 с.
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
РАСТВОРЫ И ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Методические указания
Е.Е. Стародубец
Т.П. Петрова
С.В. Борисевич
Редактор Е.И. Шевченко
Лицензия №020404 от 6.03.97 г.
Подписано в печать
Формат
Бумага писчая.Печать RISO
усл.печ.л.
уч.-изд.л.
Тираж 100 экз.
Заказ 290
«С»
Издательство Казанского государственного
технологического университета
Офсетная лаборатория Казанского государственного
технологического университета
420015, Казань, К.Маркса, 68
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
55
Размер файла
310 Кб
Теги
раствори, 1299, 325, система, дисперсных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа