Работа 3. Приготовление растворов

Задания для подготовки к лабораторной работе

1 Изучите теоретическое введение к лабораторной работе, обратив особое внимание на различные способы выражения содержания растворенного вещества в растворе.

2 Проведите все расчеты, необходимые для выполнения опытов, изучив метод интерполяции и «правило креста».

3 Ознакомьтесь с устройством ареометра, мерной посудой и правилами пользования ими.

Теоретическая часть

Раствор – это гомогенная система переменного состава, состоящая из растворителя, растворенных веществ (одного или нескольких) и продуктов их взаимодействия. Компонент, который количественно преобладает и находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, называется растворителем, все остальные его части – растворенными веществами. Основным признаком, характеризующим раствор, является его однородность. Процесс растворения часто сопровождается значительными объемными и энергетическими эффектами. По этим признакам растворы больше напоминают химические соединения и тем самым отличаются от механических смесей. С другой стороны, растворы не имеют строго определенного состава, и в этом их существенное отличие от химических соединений.

Первоначально процесс растворения идет самопроизвольно (∆G_р-ния < 0) и раствор является ненасыщенным. При дальнейшем добавлении вещества наступает момент, когда вещество перестает растворяться, и тогда избыток растворенного вещества выпадает в осадок. Система оказывается в состоянии истинного равновесия (∆G_р-ния = 0), т.е. скорости осаждения и растворения равны. Раствор становится насыщенным. Можно получить и пересыщенные растворы, т.е. такие, массовые доли растворенных веществ в которых выше, чем в насыщенных растворах (при определенных температуре и давлении). Пересыщенные растворы можно приготовить медленным охлаждением насыщенных при высокой температуре растворов (например, Na₂S₂O_3, NaCH₃COO и др.). Они представляют систему, находящуюся в кажущемся равновесии (∆G_р-ния > 0). Встряхивание или внесение кристаллов того же вещества, которое находится в растворе или изоморфного с ним, вызывает кристаллизацию. В результате происходит выделение избытка растворенного вещества, и раствор становится насыщенным.

Способы выражения концентрации растворов

Состав любого раствора может быть выражен как качественно, так и количественно. Раствор с относительно низким содержанием растворенного вещества называют разбавленным, с относительно высоким – концентрирован-ным. Такая количественная оценка условна. Например, для серной кислоты концентрированным считается раствор, где массовая доля кислоты равна 98, а для соляной – 38 %.

Для количественной оценки состава растворов используют понятие «концентрация». Существуют различные способы ее выражения.

1. Массовая доля растворенного вещества в растворе. Она обозначается W_р.в. (по первой букве английского слова «Weight» – вес) и рассчитывается по формуле W_р.в. = . Она выражается в долях от единицы и показывает, сколько граммов (кг, т) растворенного вещества содержится в 1 г (кг, т) раствора. Например, W = 0,05. Это означает, что в каждом грамме (кг, т) раствора содержится 0,05 г (кг, т) растворенного вещества. Массовая доля растворенного вещества в растворе может быть выражена и в процентах: W_р.в. = · 100 = W_р.в. · 100, %. В этом случае W указывает, сколько граммов (кг, т) растворенного вещества содержится в каждых 100 г (кг, т) раствора. Например, W = 5 %: в каждых 100 г раствора содержится 5 г NaNO₃ или в каждых 100 кг (т) раствора – 5 кг (т) NaNO₃.

Раствор любой концентрации характеризуется своей плотностью ρ (г/мл; кг/л; г/л; т/м³), которая показывает, сколько граммов (кг, т) весит 1 мл (л, м³) раствора данной концентрации. Например, ρ = 1,02 г/мл. Это означает, что 1 мл раствора данной концентрации весит 1,02 г. Плотность раствора рассчитывается по формуле ρ_р-ра = . Плотность (ρ) – это величина для перехода от массы раствора к его объему и наоборот.

2. Молярная концентрация раствора (С_м). Ее значение показывает, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 л раствора. Например, С_м (р-ра KCl) = 5 моль/л. Это означает, что в каждом литре такого раствора содержится 5 моль KCl. Молярная концентрация рассчитывается по формуле С_м = = (моль/л), где ν_р.в. − количество растворенного вещества (моль); m_р.в. – масса растворенного вещества (г); М – молярная масса растворенного вещества (г/моль), V_р-ра – объем раствора (л).

3. Молярная концентрация эквивалента раствора (эквивалентная концентрация или нормальная концентрация). Она обозначается С_э (используется также С_н). Ее значение показывает, сколько молей эквивалентов растворенного вещества содержится в 1 л раствора. Например, С_э (р-ра HNO₃) = 2 моль/л. Это означает, что в каждом литре раствора содержится 2 моль эквивалентов HNO₃. Молярная концентрация эквивалента раствора рассчитывается по формуле С_э = = (моль/л).

Растворы, имеющие одинаковые значения С_э, реагируют между собой в равных объемах, так как содержат равные количества молей эквивалентов растворенных веществ. Если растворы имеют различные значения С_э, то вступающие в реакцию объемы этих растворов обратно пропорциональны их молярным концентрациям эквивалента: = или V₁ · C_{э 1} = V₂ · C_{э 2}.

4. Моляльная концентрация раствора (С_m). Ее значение показывает, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя. Например, С_m (р-ра H₂SO₄) = 10 моль/кг. Это означает, что в каждом килограмме воды растворено 10 моль H₂SO₄. Моляльная концентрация раствора рассчитывается по формуле: С_m = = (моль/кг).

5. Молярная (мольная) доля растворенного вещества в растворе. Она обозначается χ_р.в.. Ее значение показывает, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 моль раствора. Например, χ = 0,02. Это означает, что в 1 моль раствора содержится 0,02 моль CuSO₄. Если в растворе только одно растворенное вещество, то χ = 0,98. Сумма мольных долей всех компонентов в растворе равна единице, т.е. 1 моль. Мольная доля растворенного вещества в растворе рассчитывается по формуле χ_р.в. = = = . Если в растворе несколько (К) растворенных веществ, то мольная доля любого из компонентов, в том числе растворителя, рассчитывается по формуле χ_i = . Например, при наличии трех растворенных веществ и растворителя,

χ₁ = ; χ₂ = ; χ₃ = ;

χ₄ = ; χ₁ + χ₂ + χ₃ + χ₄ = 1.

6. Титр раствора. Этот вид выражения состава раствора обозначается буквой Т. Его значение показывает, сколько граммов растворенного вещества содержится в 1 мл раствора. Например, Т (р-ра Na₂CO₃) = 1,5 г/мл. Это означает, что в каждом миллилитре такого раствора содержится 1,5 г Na₂CO₃. Титр раствора рассчитывается по формуле Т = (г/мл).