3. Растворы

1. Основные понятия

Раствором называют гомогенную систему, состоящую из двух или более компонентов.

Один из компонентов раствора – растворитель, остальные – растворенные вещества. Растворителем обычно считают тот компонент, чье агрегатное состояние не изменяется при образовании раствора. Если оба компонента находятся в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем является тот компонент, который находится в большем количестве.

Растворы бывают насыщенными, ненасыщенными и пересыщенными.

Насыщенный раствор – это раствор, который находится в равновесии с твердой фазой растворенного вещества, т.е. содержит максимально возможное количество растворенного вещества при данной температуре.

Ненасыщенный раствор – это раствор, концентрация которого меньше концентрации насыщенного раствора.

Пересыщенный раствор – это раствор, в котором растворяемого вещества содержится больше, чем в насыщенном при данной температуре.

Растворимостью называют способность одного вещества растворятся в другом. Количественно растворимость твердых веществ и жидкостей определяется коэффициентом растворимости. Коэффициент растворимости выражается массой вещества, растворяющегося при данных условиях в 100 г растворителя с образованием насыщенного раствора. Обычно вещество считают растворимым (р), если величина коэффициента растворимости превышает 1. При коэффициенте растворимости от 1 до 0,01 вещество мало растворимо (м). При коэффициенте растворимости менее 0,01 вещество практически нерастворимо (н).

Растворение веществ часто сопровождается выделением или поглощением теплоты. Что является следствием химического взаимодействия растворенного вещества с растворителем. Этот процесс называется гидратацией, если растворитель – вода, или сольватацией, если взят неводный растворитель. При этом образуются соединения, который соответственно называются гидратами и сольватами.

Гидраты, как правило, не стойкие вещества. Но некоторые из них настолько прочны, что вода входит в состав кристаллов растворенного вещества. Такие вещества называются кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода называется кристаллизационной.

Состав кристаллогидрата изображается формулой, которая показывает какое количество кристаллизационной воды содержится в кристаллогидрате:

• медный купорос (кристаллогидрат сульфата меди) – CuSO₄·5H₂O;

• глауберова соль (кристаллогидрат сульфата натрия) – Na₂SO₄·10H₂O.

3.2. Способы выражения содержания растворенного вещества в растворе

Содержание растворенного вещества в растворе может быть выражено либо безразмерными единицами – долями или процентами, либо величинами размерными – концентрациями. Наиболее часто употребляемыми в химии способами выражения содержания растворенного вещества в растворе являются: массовая и мольная доли, молярная, эквивалентная и моляльная концентрации, а также титр раствора.

1. Массовая доля – это соотношение массы растворенного вещества к массе раствора, выраженное в долях или процентах, показывает число граммов растворенного вещества в 100 г раствора.

,

где m_р.в - масса растворенного вещества, г;

m _р-ра – масса раствора, г;

m _р-ра = m _р-ля + m_р.в ,

где m _р-ля - масса растворителя, г.

2) Мольная доля - это отношение числа молей растворенного вещества (или растворителя) к сумме числа молей растворенного вещества и растворителя.

,

где ν_р.в. - число молей растворенного вещества, моль;

ν_р-ля. - число молей растворителя, моль.

3. Молярная концентрация (молярность) – это отношение количества растворенного вещества к объему раствора, показывает число молей растворенного вещества в 1 литре раствора.

; моль/л

где М - молярная масса растворенного вещества, г/моль;

V_Р-РА – объем раствора, л;

4) Эквивалентная или нормальная концентрация (нормальность) – отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объему раствора, показывает число эквивалентов растворенного вещества в 1 литре раствора.

; моль/л

где М_Э - эквивалентная масса растворенного вещества, г/моль;

ν_эр.в. - число эквивалентов растворенного вещества, моль;

5) Моляльная концентрация (моляльность) – это отношение количества растворенного вещества к массе растворителя, показывает сколько молей растворенного вещества содержится в 1 кг растворителя.

; моль/кг

6) Титр – это масса растворенного вещества, приходящаяся на 1 мл раствора.

; г/мл

3.3. Лабораторная работа №2

ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА ИЗ НАВЕСКИ

ТВЕРДОГО ВЕЩЕСТВА И ВОДЫ

Цель работы. Овладеть методом интерполяции, научиться готовить растворы заданной концентрации.

Пример 1

Задание: Приготовить 200 мл 0,5н раствора CuSO₄ из кристаллогидрата CuSO₄ · 5Н₂О.

1. Вычислите массу (m_В) безводной соли CuSO₄, необходимую для приготовления 200 мл 0,5 н раствора сульфата меди

;

где С_Н – эквивалентная концентрация раствора, моль/л;

М_Э – эквивалентная масса растворенного вещества (сульфата меди), г/моль;

V_Р-РА – объем раствора, л;

;

где М – молярная масса растворенного вещества, г/моль;

К – количество катионов или анионов в сульфате меди;

Z – заряд катиона меди или аниона (сульфат-иона) по модулю;

m_В = С_Н·V_В·М_Э = 0,5 · 0,2 · 80 = 8 г;

2. Вычислите массу кристаллогидрата CuSO₄·5Н₂О, необходимую для приготовления 200 мл 0,5 н раствора сульфата меди

;

где М(CuSO₄·5Н₂О) – молярная масса кристаллогидрата сульфата меди (медного купороса), г/моль;

3. Взвесьте расчетное количество кристаллогидрата с помощью весов и предварительно взвешенного часового стекла.

4. Высыпьте навеску через воронку в мерную колбу на 250 мл и тщательно смойте дистиллированной водой из промывалки часовое стекло над воронкой. Воронку также тщательно обмойте из промывалки дистиллированной водой.

5. Навеску растворите в небольшом количестве воды, затем долейте колбу до метки, закройте пробкой и хорошо перемешайте.

6. Определите ареометром с помощью руководителя плотность полученного раствора.

7. Рассчитайте массовую долю CuSO₄ в полученном растворе.

8. Рассчитайте нормальную (эквивалентную) и молярную концентрации полученного раствора.

9. Рассчитайте ошибку эксперимента по формуле:

±Δ_АБС = С_Н(теор) - С_Н(оп);

Таблица 3.1

№	Вид определения	Данные опыта
1	Объем заданного раствора, мл
2	Нормальность заданного раствора, моль/л
3	Масса CuSO4, необходимая для приготовления раствора, г
4	Масса CuSO4·5Н2О, необходимая для приготовления раствора, г
5	Плотность приготовленного раствора, г/мл
6	Массовая доля CuSO4 в приготовленном растворе, %
7	Молярная концентрация приготовленного раствора, моль/л
8	Нормальная (эквивалентная) концентрация приготовленного раствора, моль/л
9	Относительная ошибка эксперимента, %

10. Результаты сведите в таблицу 3.1.

Пример 2

Задание: Определить массовую долю CuSO₄ в полученном растворе

1. Пользуясь таблицей 3.2, определите массовую долю полученного раствора.

Таблица 3.2

Массовая доля (ω) CuSO4 , %	Плотность (ρ) раствора CuSO4 , г/мл
1	1,009
2	1,019
4	1,040
6	1,062
8	1,084
10	1,107

2. Если в таблице нет замеренных значений плотности, то массовая доля рассчитывается методом интерполяции, который заключается в следующем.

Пусть замеренная плотность раствора CuSO₄ равна 1,072 г/мл. Для расчета выберем по таблице значения плотности меньше и больше замеренного и соответствующие им концентрации.

Найдите разность в значениях массовой доли и плотности:

_8% - 1,084

6% - 1,062

^{____________________}

2% - 0,022

Далее из большего значения плотности необходимо вычесть замеренное значение (1,072): 1,084 – 1,072 = 0,012

Составьте пропорцию: 2% - 0,022

х - 0,012

Полученное значение массовой доли (1,091%) отнимите от 8%:

8 – 1,091 = 6,909%

Это будет массовая доля CuSO₄ в приготовленном растворе. Занесите рассчитанное значение в таблицу 3.1.