Repetitor_po_Khimii

Раздел 5

РАСТВОРЫ.

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ

ДИССОЦИАЦИЯ

Растворы широко применяются в различных сферах деятельности человека. Они имеют большое значение для живых организмов. Человек, животные и растения усваивают питательные вещества в виде растворов. Сложные физикохимические процессы в организмах человека, животных и растений протекают в растворах. Растворами являются физиологические жидкости — плазма крови, лимфа, желудочный сок и др. В медицине применяются водные растворы солей, которые по составу соответствуют плазме крови. Эти растворы называются физиологическими. Их вводят в кровь при некоторых заболеваниях. Многие медицинские препараты являются растворами различных химических веществ в воде или спирте. Природная вода является раствором. Минеральные воды, которые представляют собой растворы углекислого газа, сероводорода, соединений железа, брома, йода и других веществ, применяют при лечении разных заболеваний.

В различных производственных и биологических процессах большую роль играют растворы электролитов. Свойства этих растворов объясняет теория электролитической диссоциации. Знание теории электролитической диссоциации является основой для изучения свойств неорганических и органических соединений, для глубокого понимания механизмов химических реакций в растворах электролитов.

§ 5.1. Понятие о растворах. Процесс растворения. Растворимость веществ

• Растворы — гомогенные (однородные) системы переменного состава, которые содержат два или несколько компонентов.

190

			Растворы
жидкие		газообразные				твердые
		(смеси газов)				(сплавы металлов)
Например, раствор		Например, воздух				Например, сплавы
NaCl в воде; раствор (21 % О2 + 78 % N2 +						Cu + Ni; Au + Ag;
HNO3 в воде;		+ 1 % др. газов)				Ni + Ag
раствор I2 в спирте

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из растворителя (жидкости) и растворенных веществ (газо-

образных, жидких, твердых):

Жидкие растворы

Жидкость +	Жидкость +	Жидкость +
+ газообразное	+ жидкое	+ твердое
вещество	вещество	вещество
(р-р О2 в воде)	(р-р H2SO4 в воде)	(р-р сахара в воде)

Жидкие растворы могут быть водные и неводные. Водные

растворы — это растворы, в которых растворителем является вода. Неводные растворы — это растворы, в которых раство-

рителями являются другие жидкости (бензол, спирт, эфир и т. д.).

На практике чаще применяются водные растворы.

Растворение веществ

Растворение — сложный физико-химический процесс. Разрушение структуры растворяемого вещества и распределение его частиц между молекулами растворителя — это физический процесс. Одновременно происходит взаимодействие молекул растворителя с частицами растворенного вещества, т. е. химический процесс. В результате этого взаимодействия образуются сольваты.

• Сольваты — продукты переменного состава, которые образуются при химическом взаимодействии частиц растворенного вещества с молекулами растворителя.

191

Если растворителем является вода, то образующиеся сольваты называются гидра@тами.

Процесс образования сольватов называется сольвата@-

цией. Процесс образования гидратов называется гидрата@- цией.

Гидраты некоторых веществ можно выделить в кристаллическом виде при выпаривании растворов. Например:

CuSO4 + Н2О	Раство-		Выпа-		Кристаллич.
		Синий р-р			в-во синего
			ривание
Вещество	рение				цвета
белого цвета

Что представляет собой и как образуется кристаллическое вещество синего цвета?

При растворении в воде сульфата меди (II) происходит его диссоциация на ионы:

CuSO4 Cu2+ + SO24–

Образующиеся ионы взаимодействуют с молекулами воды:

Cu2+ + SO24–+ 5Н2О Cu2+ · 4Н2О + SO24– · Н2О

Синий цвет

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭

Гидратированные ионы

При выпаривании раствора образуется кристаллогидрат суль-

фата меди (II) — CuSO4 · 5H2O.

Кристаллические вещества, содержащие молекулы воды, называются кристаллогидра@тами.

Вода, входящая в их состав, называется кристаллизационной водой. Примеры кристаллогидратов:

медный купорос

CuSO4 · 5Н2О

Кристаллизационная вода

глауберова соль

Na2SO4 · 10H2O

кристаллическая сода

Na2CO3 · 10H2O

Впервые идею о химическом характере процесса раство-

рения высказал Д. И. Менделеев в разработанной им химической (гидратной) теории растворов (1887 г.).

192

Доказательством физико-химического характера процесса растворения являются тепловые эффекты при растворении,

т. е. выделение или поглощение теплоты.

Тепловой эффект растворения равен сумме тепловых эффектов физического и химического процессов. Физический процесс протекает с поглощением теплоты, химический — с выделением.

Если в результате гидратации (сольватации) выделяется больше теплоты, чем ее поглощается при разрушении структуры вещества, то растворение — экзотермический процесс. Выделение теплоты наблюдается, например, при растворении в воде таких веществ, как NaOH, AgNO3, H2SO4, ZnSO4 и др.

Если для разрушения структуры вещества необходимо больше теплоты, чем ее образуется при гидратации, то растворение — эндотермический процесс. Это происходит, например, при растворении в воде NaNO3, KCl, K2SO4, KNO2, NaH4Cl и др.

Растворимость веществ

Известно, что одни вещества хорошо растворяются, другие — плохо. При растворении веществ образуются насыщен-

ные и ненасыщенные растворы.

Насыщенный раствор — это раствор, который содержит максимальное количество растворяемого вещества при дан-

ной температуре.

Ненасыщенный раствор — это раствор, который содержит меньше растворяемого вещества, чем насыщенный при данной температуре.

Количественной характеристикой растворимости являет-

ся коэффициент растворимости.

Коэффициент растворимости показывает, какая максимальная масса вещества может раствориться в 100 г растворителя при данной температуре.

Растворимость в воде выражают в граммах вещества на 100 г воды (г/100 г H2O).

По растворимости в воде вещества делят на 3 группы:

193

Вещества (растворимость в воде, 20 °С)

Хорошо растворимые (P)				Практически нерастворимые (Н)
(>1 г вещества в 100 г Н2O)				(<0,001 г вещества в 100 г Н2О)
Например, сахар: в 100 г воды				Например, AgCl: в 100 г воды
растворяется 200 г				растворяется 1,5 · 10–4 г

Малорастворимые (М)

(от 0,001 до 1 г вещества в 100 г Н2О)

Например, гипс CaSO4 · 2H2O: в 100 г воды растворяется 0,2 г

Таблица раствори-
мости солей, кислот и
оснований		в	воде
представлена на вто-
ром	форзаце		этой
книги.
Растворимость ве-
ществ зависит от при-
роды	растворителя,
от природы раство-
ренного		вещества,
температуры,			давле-
ния (для газов). Раст-
воримость газов при
повышении темпера-
туры	уменьшается,
при повышении дав-
ления — увеличива-
ется.
Зависимость раст-
воримости		твердых
веществ от темпера-
туры показывают кри-
вые	растворимости			Рис. 20. Кривые растворимости
(рис.	20). Раствори-			твердых веществ

194

мость многих твердых веществ увеличивается при повышении температуры.

По кривым растворимости можно определить: 1) коэффициент растворимости веществ при различных температурах; 2) массу растворенного вещества, которое выпадает в осадок при охлаждении раствора от t1 °С до t2 °С.

Процесс выделения вещества путем испарения или охлаждения его насыщенного раствора называется перекристаллизацией. Перекристаллизация используется для очистки веществ.

Типовая задача.

Воду объемом 100 мл насыщают нитратом калия KNO3 при 70 °С. Раствор охлаждают до 20 °С. Какая масса соли выпадает в осадок?

Дано: V(H2O) = 100 мл

t1° = 70 °С; t2° = 20 °С. Найти: m(KNO3)

Решение.

1. Масса воды равна:

m(H2O) = V(H2O) · ρ(H2O) = 100 мл · 1 г/мл = 100 г.

2. По кривой растворимости (рис. 20) нитрата калия находим растворимость KNO3 при 70 °С и при 20° С:

при 70 °С растворимость KNO3 — 110 г;

при 20 °С растворимость KNO3 — 30 г. 2. Рассчитываем массу соли, выпавшей в осадок:

m(KNO3) = 110 г — 30 г = 80 г.

Ответ: при охлаждении насыщенного раствора KNO3 от 70 °С до 20 °С выпадает в осадок 80 г соли.

Вопросы для контроля

1.Что такое растворы?

2.Как классифицируются растворы по агрегатному состоянию?

3.Из каких компонентов состоит жидкий раствор?

4.Что такое водные и неводные растворы?

5.Какие процессы протекают при растворении веществ в жидких растворителях?

6.Что такое гидраты (сольваты); гидратация (сольватация)?

7.Какие вещества называются кристаллогидратами? Приведите примеры.

8.Кто и когда создал химическую (гидратную) теорию растворов?

195

9. Чему равен тепловой эффект растворения?

10.Что такое насыщенные растворы; ненасыщенные растворы?

11.Что показывает коэффициент растворимости?

12.Как делятся вещества по растворимости? Приведите примеры.

13.От каких факторов зависит растворимость веществ?

14.Что показывают кривые растворимости?

Задачи для самостоятельной работы*:

1.Найти растворимость хлорида аммония NH4Cl при 20 °С, 60 °С, 90 °С.

2.Какова растворимость нитрата серебра AgNO3 при 0 °С?

3.В какой массе воды надо растворить KNO3 массой 120 г, чтобы получить раствор, насыщенный при 30 °С?

4.Растворимость бромида натрия при 20 °С равна 90,5 г. Какую массу этой соли можно растворить в воде массой 900 г при 20 °С?

5.Определить массовую долю (%) кристаллизационной воды в медном купоросе, глауберовой соли, кристаллической соде.

6.Какую массу безводного сульфата натрия можно получить из глауберовой соли Na2SO4 · 10H2O массой 6,44 г?

7.Какая масса воды соединяется с безводным сульфатом натрия массой 56,8 г при образовании кристаллогидрата Na2SO4 · 10H2O?

8.Из какой массы медного купороса можно получить сульфат меди (II) массой 80 г?

9.При выпаривании насыщенного при 20 °С водного раствора хлорида натрия массой 200 г получена соль, масса которой 52,64 г. Какова растворимость в воде хлорида натрия при 20 °С?

§ 5.2. Количественная характеристика состава растворов

Для качественной характеристики растворов используют понятия «разбавленный раствор» (содержит мало растворенного вещества) и «концентрированный раствор» (содер-

жит много растворенного вещества).

При работе с растворами необходимо знать их количественный состав. Количественный состав растворов выражается различными способами. Мы изучим два способа: массовая доля растворенного вещества и молярная концентрация (молярность).

*При решении задач используют кривые растворимости (рис. 20).

196

Массовая доля растворенного вещества

• Массовой долей растворенного вещества называется отношение массы растворенного вещества к массе раствора:

m(в-ва) ω(в-ва) = —————,

m(р-ра)

где ω — массовая доля растворенного вещества, выраженная в долях единицы; m(в-ва) — масса растворенного вещества, г; m(р-ра) — масса раствора, г.

Массовую долю можно выражать также в процентах (%):

m(в-ва)

ω(в-ва) = ————— · 100 %. m(р-ра)

Массовую долю растворенного вещества в процентах часто называют проце@нтной концентра@цией раствора.

Пример. В водном растворе хлорида натрия NaCl его массовая доля равна 10 %, или 0,1. Это значит, что в растворе массой 100 г содержится 10 г хлорида натрия и 90 г воды.

Массу раствора можно рассчитать по формулам:

m(р-ра) = m(растворителя) + mн(в-ва); m(p-pa) = ρ · V,

где V — объем раствора, мл; ρ — плотность раствора, г/мл.

Молярная концентрация

• Молярная концентрация показывает число молей растворенного вещества в одном литре раствора.

Молярную концентрацию можно рассчитать по формуле:

n

C = —— V

где С — молярная концентрация, моль/л; п — количество растворенного вещества, моль; V — объем раствора, л.

197

Молярная	Обозначение	Название раствора
концентрация С,	молярности
моль/л
1	1 М	Одномолярный
		(молярный)
0,5	0,5 М	Полумолярный
0,1	0,1 М	Децимолярный
0,01	0,01 М	Сантимолярный
0,001	0,001 М	Миллимолярный

На практике часто переходят от одного способа выражения концентрации к другому по известной плотности раствора, применяя формулу т = ρ · V.

Типовая задача № 1.

В растворе массой 100 г содержится хлорид бария массой 20 г. Какова массовая доля хлорида бария в растворе?

Дано:	Решение:
m(р-ра) = 100 г;	Массовая доля ВаСl2 равна отношению его массы
m(ВаСl2) = 20 г.	к общей массе раствора:
Найти:	m(BaCl2)	20 г
ω(ВаСl2).	ω(Al) = —————— = ———— = 0,2
	m(р-ра)	100 г

Ответ: ω(ВаСl2) = 0,2, или 20 %.

Типовая задача № 2.

Сахар массой 5 г растворили в воде массой 20 г Какова массовая доля (%) сахара в растворе?

Дано:	Решение:
m(сахара) = 5 г;	1. Определим общую массу полученного раствора:
m(Н2О) = 20 г.	m(р-ра) = m(воды) + m(сахара);
Найти:	m(р-ра) = 20 г + 5 г = 25 г.
ω% (сахара).	2. Вычислим массовую долю (%) сахара в раст-
	воре:
	m(сахара)
	ω%(сахара) = —————— · 100 %;
	m (р-ра)

5 г · 100 % ω%(сахара) = ——————— = 20 %.

25 г

Ответ: ω%(сахара) = 20 %.

198

Типовая задача № 3.

Какие массы нитрата калия и воды необходимо взять для приготовления 2 кг раствора с массовой долей KNO3, равной 0,05?

	Дано:	Решение:
	m(р-ра) = 2 кг =	1. Определим массу нитрата калия:
	= 2000 г;	m(KNO3)
	ω(KNO3) = 0,05.
		ω(KNO3) = ——————— ;
		m(р-ра)
	Найти:
	m(KNO3);	m(KNO3) = ω(KNO3) · m(p-pa);
	m(H2O);	m(KNO3) = 0,05 · 2000 г = 100 г.
		2. Определим массу воды:
		m(p-pa) = m(Н2О) + m(KNO3);
		m(H2O) = m(p-pa) – m(KNO3);
		m(H2O) = 2000 г – 100 г = 1900 г.

Ответ: m(KNO3) = 100 г; m(H2O) = 1900 г.

Типовая задача № 4.

Какие массы кристаллогидрата сульфата натрия Na2SO4 · 10H2O и воды надо взять, чтобы получить раствор массой 71 г с массовой долей

Na2SO4 20 %?
Дано:		Решение:
m(р-ра) = 71 г;		1. Вычислим массу Na2SO4, необходимую для при-
ω%(Na2SO4) = 20 %.		готовления 71 г раствора:
Найти:		m(Na2SO4)
m(Na2SO4 · 10H2O),
		ω%(Na2SO4) = —————— · 100 %;
m(Н2О)		m (р-ра)
		m(р-ра) · ω
		m(Na2SO4) = ———————;
		100 %
		71 г · 20 %
		m(Na2SO4) = ——————— = 14,2 г.
		100 %

2. Вычислим массу кристаллогидрата Na2SO4 · 10H2O, необходимого для приготовления раствора:

M(Na2SO4 · 10Н2O) = 322 г/моль; M(Na2SO4) = 142 г/моль;

322 г Na2SO4 · 10Н2O содержит 142 г Na2SO4; т г Na2SO4 · 10H2O содержит 14,2 г Na2SO4;

322 г · 14,2 г т(Na2SO4 · 10H2O) = ————————= 32,2 г.

100 г

199