ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. РАСТВОРЫ

Цельработы

Определение количество растворенного вещества, используя различные способы выражения концентрации.

Краткиетеоретическиесведения

Растворами называются многокомпонентные однородные термодинамически устойчивые системы переменного состава. Раствор состоит из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия. Одной из важнейших характеристик раствора является его концентрация.

Концентрацией раствора называется содержание растворенного вещества в определенной массе или объеме раствора (растворителя).

Ниже приведены наиболее часто употребляемые способы выражения концентрации растворов.

1. Массовая доля растворенного вещества ωв-ва (безразмерная вели-

чина) равна отношению массы растворенного вещества к массе всего раствора:

ω	=	m(â−âà)	=	m(â−âà)	=	m(â − âà)	,	(3.1)
(â−âà)		m(ð−ðà)		m(â−âà) +m(ð−ëÿ)		ρ V

где ωв-ва – массовая доля растворенного вещества, выраженная в долях единицы; mв-ва – масса растворенного вещества, г; mр-ра – масса раствора, г; mр-ля

– масс растворителя, г; ρ – плотность раствора, г/мл; V – объем раствора, мл. Массовую долю можно выразить также в процентах, %:

ω	=	m(â−âà) 100	=	m(â−âà) 100	=	m(â−âà) 100	.	(3.2)
(â−âà)		m(ð−ðà)		m(â−âà) +m(ð−ëÿ)		ρ V

Существует также следующее определение процентной концентрации – это число граммов растворенного вещества, содержащееся в 100 г раствора (ω % или С %).

2. Молярная концентрация (СМ, моль/л или М) определяется содержанием числа молей растворенного вещества в одном литре раствора:

	CМ =	n	=	m	=	m 1000	,	(3.3)
		V		M V		M V

где n − количество растворенного вещества, моль; m – масса растворенного вещества, г; М − молярная масса растворенного вещества, г/моль; V – объем раствора, л (мл).

Химия. Лаб. практикум

-32-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. РАСТВОРЫ

Краткие теоретические сведения

Удобно пользоваться сокращенной формой записи единицы молярной концентрации М = моль/л. Так, 2 М H2SO4 означает раствор, в одном литре которого содержится 2 моля серной кислоты, т. е. Сэкв = 2 моль/л.

3. Молярная концентрация эквивалента, или нормальная концентра-

ция (Сн, экв/л или н.) равна количеству эквивалентов, содержащихся в одном литре раствора. Рассчитывается Сн по формуле:

Cí =	ný	= m 1000	,	(3.4)
	V Mýêâ V

где nэ − количество эквивалентов растворенного вещества, моль; V – объем раствора, л (мл); m – масса растворенного вещества, г; Mэкв – молярная масса эквивалентов растворенного вещества, г/моль.

Эквивалентом вещества называется его реальная или условная частица, которая эквивалентна одному молю катиона водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. При использовании понятия «эквивалент» всегда необходимо учитывать, к какой конкретной реакции или группе реакций оно относится, поскольку эквивалент для многих веществ не является постоянным.

Для определения молярных масс эквивалентов веществ важное значение имеет фактор эквивалентности fэ. Фактор эквивалентности – это число, показывающее долю реальной частицы вещества (атома, молекулы и т.д.), эквивалентной одному катиону водорода (кислотно-основная реакция) или одному электрону (окислительно-восстановительная реакция).

Численные значения фактора эквивалентности fэ различных веществ можно рассчитывать следующим образом:

fэ (элемента) =			1		,
			Валентность
fэ (основания) =			1					,
				Кислотностьоснования
fэ (кислоты) =			1				,
		Основность кислоты
fэ (соли) =			1						,
	Валентностьметалла						Числоатомовметалла

1

fэ (окислителя) = Число принятых электронов,

1

fэ (восстановителя) = Число отданых электронов.

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

(3.10)

За единицу количества вещества, в котором частицами являются эквиваленты, nэ, принят моль. Молярная масса эквивалентов вещества X обо-

Химия. Лаб. практикум

-33-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. РАСТВОРЫ

Краткие теоретические сведения

значается Mэ(X) и выражается в г/моль. Mэ(X) определяется как произведение фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

M ý(X) = fý(X) M(X) .	(3.11)
Mэ(X) равна массе одного моля эквивалентов этого вещества.
Например, в реакциях
H3PO4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2	(a)
H3PO4 + 2NaOH = Na 2HPO4 + 2H2O	(б)

молярная масса эквивалентов фосфорной кислоты имеет различные значения. В реакции (а) fэ(H3PO4) = 1/3, следовательно,

Mэкв(H3PO4) = 1/3 · M(H3PO4) =

=1/3 · 98 г/моль = 32,7 г/моль,

ав реакции (б) fэ(H3PO4) = 1/2 и

Mэкв(H3PO4) = 1/2 · M(H3PO4) = = 1/2 · 98 г/моль = 49 г/моль.

Таким образом, фактор эквивалентности показывает часть молекулы (или иона), являющейся эквивалентом. Число эквивалентов содержащихся в молекуле, называют числом эквивалентности и обозначают Z*· fэкв = 1/ Z*.

4. Титр раствора (Т, г/мл) определяется содержанием граммов растворенного вещества в 1 мл раствора:

T =	m(â−âà )	.	(3.12)
	V
	(ð−ðà )

Концентрацию раствора определяют различными методами. Если не требуется большая точность, то ее определяют по плотности, используя ареометр. Каждому значению плотности раствора соответствует определенная концентрация (см. табл. 3.1).

Для определения точной концентрации используют метод титрования, который заключается в постоянном прибавлении раствора известной концентрации к анализируемому раствору до точки эквивалентности, т. е. момента, когда количество раствора известной концентрации эквивалентно количеству определяемого раствора в соответствии с уравнением химической реакции.

Химия. Лаб. практикум

-34-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. РАСТВОРЫ

Краткие теоретические сведения

Конец титрования устанавливают по изменению цвета индикатора. Чем более точно определена точка эквивалентности, тем меньше ошибка в определении концентрации.

Экспериментальнаячасть

Опыт 1 Приготовлениесернойкислотызаданнойконцентрации

Приготовить 100 мл 0,1 н. серной кислоты из имеющейся в лаборатории более концентрированной кислоты (9 %) и воды. Плотность 9 %-й серной кислоты равна 1,059 г/мл (табл. 3.1).

1. Рассчитаем количество серной кислоты, необходимое для приготовления 100 мл 0,1 н. H2SO4.

0,1 н. H2SO4 означает, что в 1000 мл раствора содержится 0,1 эквивалента серной кислоты. Для приготовления 100 мл раствора потребуется соот-

ветственно 0,01		эквивалента серной		кислоты,			что	составит		0,49 г H2SO4
(Мэ = 49 г/моль).
	Если к этому количеству кислоты добавить воды до 100 мл, задание
будет выполнено.
										Таблица 3.1
%	Плотность,	%	Плотность,		%	Плотность,			%	Плотность,
	г/см3		г/см3				г/см3			г/см3
1	1,005	6	1,038		12		1,080		30	1,219
2	1,012	7	1,045		14		1,095		40	1,303
3	1,018	8	1,052		16		1,109		50	1,395
4	1,025	9	1,059		18		1,124		60	1,498
5	1,032	10	1,066		20		1,139		70	1,611

2.Теперь необходимо рассчитать, в каком количестве 9 %-й серной кислоты содержится 0,49 г H2SO4.

9% H2SO4: 9 г H2SO4 в 100 г раствора или в 100/1,059 = 94,4 мл рас-

твора:

9г H2SO4 содержатся в 94,4 мл раствора, 0,49 г H2SO4 содержатся в х мл.

Отсюда х = (0,49 · 100/1,059) / 9 = 5,14 мл 9 %-й серной кислоты.

Таким образом, в 5,14 мл 9 %-й H2SO4 содержатся нужные 0,49 г серной кислоты.

3.Выполнение задания. Отберите пипеткой с делениями рассчитанное количество 9 %-й серной кислоты, т. е. 5,1 мл, перенесите в мерную колбу на 100 мл и добавьте воды до метки.

Химия. Лаб. практикум

-35-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. РАСТВОРЫ

Экспериментальная часть

Опыт 2 Проверкаконцентрацииприготовленнойкислоты

В первом опыте приготовили 0,1 н. раствор серной кислоты. Для проверки соответствия концентрации приготовленного раствора значению 0,1 н. определим методом титрования истинную концентрацию раствора. В основе метода титрования лежит закон эквивалентов: все вещества реагируют друг с другом в строгих весовых соотношениях, пропорциональных их молярным массам эквивалентов:

m1		=	Mý1		=	Ñ1 V1			,
m	2		M	ý2		C	2	V
								2

где С1 и С2 – нормальные концентрации растворов.

Таким образом, проводя реакцию между двумя растворами, можно рассчитать концентрацию одного из них, если известны объемы растворов, вступившие в реакцию, и концентрация Сн одного из растворов.

В нашем опыте определяем концентрацию приготовленной кислоты по реакции нейтрализации:

H2SO4 + 2NaOH = 2H2O + Na2SO4

Момент эквивалентности определяется с помощью индикатора − вещества, которое изменяет окраску при изменении кислотности среды.

В три конические колбочки по 100 мл отберите пипеткой Мора (мерной с шариком) три пробы по 5 мл приготовленной кислоты. В каждой пробе будет при этом содержаться V·Cн эквивалентов H2SO4. Добавьте 3-4 капли индикатора метилового-оранжевого (раствор при этом приобретает розовый цвет) и приступайте к титрованию: приливайте по каплям 0,1 н. раствор щелочи из бюретки к исследуемому раствору кислоты, постоянно перемешивая, до изменения окраски индикатора (оранжевый цвет − нейтральная среда). Вычислите объем щелочи, пошедшей на нейтрализацию 5 мл кислоты, по разности объемов щелочи в бюретке до и после титрования с точностью до 0,1 мл. Результаты запишите в виде табл. 3.2.

Таблица 3.2

	Номер опыта	Объем кислоты, мл	Объем щелочи, мл	Средний объем
				щелочи, мл
	1	5,0
	2	5,0
	3	5,0

Концентрацию приготовленного раствора кислоты СК вычислите, используя формулу

Cк · Vк= Сщ · Vщ,

где Ск − определяемая нормальная концентрация кислоты; Сщ − нормальная концентрация щелочи, приготовленной лаборантом; Vк − объем кислоты, взя-

Химия. Лаб. практикум

-36-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. РАСТВОРЫ

Экспериментальная часть

той на анализ, мл; Vщ − объем раствора щелочи, нужной на титрование кислоты, мл.

Вычислите титр раствора кислоты по формуле

T = Cк Mэкв .

1000

Вычислите абсолютную и относительную ошибки при выполнении задания.

Абсолютная ошибка: C = Cк (теор) − Ск (найденная). Относительная ошибка X вычисляется в процентах.

Примерырешениятиповыхзадач

П р и м е р 1. Сахар массой 20 г растворили в воде массой 80 г. Какова массовая доля, %, сахара в растворе?

Р е ш е н и е. Воспользуемся формулой (3.2):

	ω(сахара) =	m(сахара) 100	=	20 100		= 20 %.
		m(сахара) + m(воды)		20	+80

П р и м е р 2. Рассчитайте молярную концентрацию 9 %–ного рас-

твора серной кислоты плотности 1,059 г/мл.

Р е ш е н и е. В 100 г 9 %-го раствора содержится 9 г H2SO4. Используем формулу (3.3), где m = 9 г, М = 98 г/моль, V = 100/1,059 мл,

CÌ	= m 1000 =	9 1000	= 0,972 моль/л.
	M V 100 /1,059 98

П р и м е р 3. Рассчитайте нормальную концентрацию 9 %-й серной

кислоты плотности 1,059 г/мл.

Р е ш е н и е. Вычисляем молярную массу эквивалента серной кислоты, учитывая, что фактор эквивалентности H2SO4 fэ = 1/2.

Mý(H2SO4 ) = M(H2SO4 ) fý (H2SO4 ) =98 1/ 2 = 49 г/моль.

Далее используем формулу (3.4):

	Cí	= m 1000	=	9 1000	=1,945 н.
				49 100/1,059
		Mý V

П р и м е р 4. Рассчитайте титр 9 %-го раствора H2SO4 плотности

1,059 г/мл.

Р е ш е н и е. 9 г H2SO4 содержится в 100 г 9 %-го раствора или в 100/1,059 мл 9 %-го раствора. Отсюда:

Химия. Лаб. практикум

-37-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. РАСТВОРЫ

Примеры решения типовых задач

	T =	m(â-âà)	=		9	= 0,095	г/мл.
		V		100 /1,059
		(ð-ðà )

П р и м е р 5. Определите титр 0,1 н. раствора H2SO4.

Р е ш е н и е. В 1000 мл 0,1 н. раствора H2SO4 содержится 0,1 эквивалент серной кислоты или 4,9 г H2SO4 (Мэ = 49 г/моль).

Отсюда титр находим по формуле

T = C1000н Mэ = 01000,1 49 =0,0049 г/ мл.

Контрольныевопросыизадачи

1.Что такое раствор? Какие существуют способы определения концентрации растворов? Приведите примеры.

2.Каким прибором и как измеряется плотность растворов? Как опре-

деляют концентрацию растворов по плотности?

3.Какими энергетическими эффектами сопровождается процесс растворения веществ?

4.В чем заключается сущность процесса титрования? Что такое точка

эквивалентности?

5.Для чего при титровании применяются индикаторы? Какие индикаторы вы знаете?

6.Что называется нормальной концентрацией раствора?

7.На титрование 10 мл раствора щелочи израсходовано 12,4 мл 0,25 н. раствора кислоты. Определить нормальную концентрацию раствора щелочи. (Ответ: 0,31 н.)

8.Сколько процентов гидроксида натрия содержит двунормальный раствор плотностью 1,08 г/мл? (Ответ: 7,4 %.)

9.Какой объем 3 н. раствора серной кислоты требуется для нейтрали-

зации 8,4 г КОН? (Ответ: 50 мл).

10.Сколько граммов Na2CO3·10H2O нужно взять, чтобы приготовить 2 л 0,4 М раствора? (Ответ: 228,8 г.)

11.Сколько эквивалентов карбоната натрия содержится в 64 л 2н рас-

твора? (Ответ: 128 экв.)

12.Сколько граммов сульфата калия необходимо взять для приготовления 200 г 8 % раствора? (Ответ: 16 г.)

13.Сколько граммов хлорида алюминия необходимо взять, для приготовления: а) 2 л 0,5 М раствора; б) 2 л 0,5 н. раствора? (Ответ: а) 135,5 г;

б) 44,5 г.)

14.Какой объем 92 %-й серной кислоты плотностью 1,83 г/мл следует взять для приготовления 3 л 0,5 н. раствора? (Ответ: 43,7 мл.)

Химия. Лаб. практикум

-38-