Глава II.22 Растворы. Массовая доля растворённого вещества

🎧 Аудио сопровождение

Лабораторный опыт 16

Ознакомьтесь с тремя препаратами домашней или школьной (кабинета химии) аптечки: растворами пероксида водорода, спиртовой настойки иода и нашатырного спирта (рис. 64). К каким типам смесей веществ относятся эти препараты?

Компонент, которого в препаратах больше, называют растворителем. Как вы думаете, какие два растворителя используются для приготовления данных препаратов? Компонент, которого в препаратах меньше, называют растворённым веществом. Как вы думаете, в каких агрегатных состояниях находились взятые для приготовления данных растворов вещества?

Указанные аптечные препараты представляют собой однородные, или гомогенные, смеси, в которых используются два вида растворителя. Для приготовления раствора пероксида водорода и нашатырного спирта в качестве растворителя берут воду, а для приготовления йодной настойки – этиловый спирт. В качестве растворённых веществ используются твёрдое вещество – иод I₂, жидкое вещество – пероксид водорода H₂O₂ и газообразное вещество – аммиак NH₃.

Рис. 64. Аптечные препараты растворов: иода, пероксида водорода, аммиака

Растворы – это гомогенные системы, состоящие из растворителя, растворённого вещества и продуктов их взаимодействия.

Последнее уточнение в определении было сделано Д. И. Менделеевым, который выдвинул химическую теорию растворов. Согласно этой теории, растворение – химический процесс взаимодействия растворителя и растворённого вещества, в результате которого образуются гидраты (нестойкие соединения переменного состава, которые образуются при химическом взаимодействии молекул воды с частицами растворённого вещества) и сольваты (в случае использования других растворителей).

Голландский химик Якоб Вант-Гофф и шведский физикохимик Сванте Аррениус придерживались физической теории растворов, согласно которой растворение – это диффузия частиц растворённого вещества между молекулами растворителя.

В пользу теории Менделеева говорят наблюдения за процессом растворения некоторых веществ. Так, при добавлении воды к сульфату меди(II) СuSO₄ (порошок белого цвета) образуется раствор голубого цвета. А как известно, изменение окраски – признак химической реакции.

Растворение одних веществ протекает с выделением теплоты, растворение других — с её поглощением. Например, экзотермическим является растворение серной кислоты (вспомните правило её разбавления) или щёлочи, а эндотермическим – растворение нитрата калия.

Если положить в химический стакан несколько гранул кристаллического гидроксида натрия, добавить 50–70 мл воды и размешать раствор, то с помощью термометра можно зафиксировать быстрое повышение температуры. Ещё более сильное нагревание наблюдается при растворении серной кислоты в воде.

Если же аналогичный опыт провести с нитратом калия, то легко отметить понижение температуры.

В пользу теории Вант-Гоффа и Аррениуса говорит тот факт, что гидраты (сольваты) не имеют постоянного состава.

В настоящее время растворение рассматривают как физико-химический процесс, а растворы – как физико-химические системы.

На этикетках аптечных препаратов указано содержание растворённых веществ: 5%-ный раствор иода, 3%-ный раствор пероксида водорода и 10%-ный раствор аммиака. Что обозначают эти количественные характеристики растворов?

Содержание растворённого вещества в растворе выражают с помощью его массовой доли (ω).

Массовой долей растворённого вещества в растворе называют отношение массы растворённого вещества к массе раствора.

$ω (в - ва) = \frac{m (в - ва)}{m (р - ра)} \cdot 100 %,$

где ω(в-ва) – массовая доля растворённого вещества; m(в-ва) – масса растворённого вещества; m(р-ра) – масса раствора.

Если в растворе содержится только растворитель и растворённое вещество, сумма их масс равна массе раствора:

m(р-ра) = m(р-ля) + m(в-ва)

На практике отмерять массу раствора очень неудобно, удобнее брать необходимый объём. Для его расчёта нужно знать плотность раствора, которая показывает массу единицы объёма и связана с массой и объёмом раствора формулой

$ρ (p - pa) = \frac{m (p - pa)}{V (p - pa)}$

Чаще всего плотность жидкостей указывают в г/мл, но встречаются и другие размерности: 1 г/см³, 1 кг/л, 1000 кг/м³.

В условиях задач плотность чистой воды обычно не указана. Это величина постоянная, она равна 1 г/мл или 1 кг/л.

Решим несколько задач с использованием понятия «массовая доля растворённого вещества».

Задача 1. Какая масса уксусной кислоты содержится в 150 г столового уксуса с массовой долей кислоты 3,5%?

Дано:

m(р-ра) = 150 г

ω(кислоты) = 3,5

Решение:

$ω (кислоты) = \frac{m (кислоты)}{m (р - ра)} \cdot 100 %$

m(кислоты) — ?

$m (кислоты) = \frac{ω (кислоты) \cdot m (p - pa)}{100 %} = 150 г \cdot 0, 035 = 5, 25 г$

Ответ: m(кислоты) = 5,25 г.

Задача 2. В 400 мл воды растворили 112 л аммиака NH₃ (н. у.). Рассчитайте массовую долю растворённого вещества в полученном растворе.

Дано:

V (H₂O) = 400 мл

V (NH₃) = 112 л

Решение:

Найдём количество вещества аммиака:

$n ({NH}_{3}) = \frac{V ({NH}_{3})}{V_{m}} = \frac{112 л}{22, 4 л / моль} = 5 моль$

ω(NH₃) – ?

Рассчитаем массу растворённого аммиака:

m(NH₃) = n(NH₃) ∙ M(NH₃) = 5 моль ∙ 17 г/моль = 85 г

Найдём массу воды:

m(H₂О) = V(H₂O) ∙ ρ(H₂O) = 400 мл ∙ 1 г/мл = 400 г

Рассчитаем массу полученного раствора:

m(р-ра) = m(H₂O) + m(NH₃) = 400 г + 85 г = 485 г

Вычислим массовую долю аммиака в полученном растворе:

Ответ: ω(NH₃) = 17,5 %.

Задача 3. Какую массу карбоната натрия необходимо растворить в 100 мл 10%-ного раствора карбоната натрия (плотностью 1,11 г/мл), чтобы получить раствор с массовой долей соли 15%?

Дано:

V₁(р-ра) = 100 мл

ρ₁(р-ра) = 1,11 г/мл

ω₁(Na₂СО₃) = 10%

ω₂(Na₂СО₃) = 15%

Решение:

Найдём массу исходного раствора:

m₁(р-ра) = V₁(р-ра) ∙ ρ₁(р-ра) = 100 мл ∙ 1,11 г/мл = 111 г

Вычислим массу карбоната натрия в первом растворе:

m(Na₂СО₃) – ?

m₁(Na₂СО₃) = m₁(р-ра) ∙ ω₁(Na₂СО₃) = 111 г ∙ 0,1 = 11,1 г

Пусть масса добавляемого карбоната натрия равна х г. Тогда масса карбоната натрия во втором растворе будет равна:

m₂(Na₂СО₃) = m₁(Na₂СО₃) + x(г),

а общая масса второго раствора:

m₂(р-ра) = m₁(р-ра) + x(г)

Для второго раствора верно равенство

$ω_{2} ({Na}_{2} {CO}_{3}) = \frac{m_{2} ({Na}_{2} {CO}_{3})}{m_{2}} \cdot 100 % = \frac{m_{1} ({Na}_{2} {CO}_{3}) + x}{m_{1} (p - pa) + x} \Rightarrow \Rightarrow \frac{11, 1 + x}{111 + x} \cdot 100 % = 15 %$

Решая последнее уравнение, получим х = 6,53 г.

Ответ: m(Na₂СО₃) = 6,53 г.

Растворитель. Растворённое вещество. Растворы. Гидраты. Сольваты. Массовая доля растворённого вещества

Проверьте свои знания

Дайте определение растворов. Что представляют собой гидраты?
Как рассчитывается массовая доля растворённого вещества?

Примените свои знания

Найдите массовую долю хлорида натрия в растворе, полученном при растворении 15 г этой соли в 235 мл воды.
В автомобильных аккумуляторах используют 36%-ный раствор серной кислоты. Рассчитайте массы кислоты и воды, необходимые для приготовления 2,5 кг аккумуляторного раствора.
В косметике используют 15%-ный раствор глицерина (плотность 1,26 г/см³). Рассчитайте массу глицерина, содержащегося в 250 мл раствора.
Для засолки огурцов используют 5%-ный раствор поваренной соли (плотность 1,1 г/см³). Найдите массу и количество вещества соли, необходимые для приготовления 5 л такого раствора.
В химической лаборатории используют 35%-ный раствор пероксида водорода. Какую массу 3%-ного аптечного раствора можно приготовить из 1,5 кг раствора пероксида водорода, используемого в лаборатории?
Рассчитайте массовую долю аммиака в растворе, полученном растворением 6,72 л аммиака (н. у.) в 175 мл воды.
После упаривания 500 мл 10%-ного раствора карбоната натрия (плотность 1,1 г/мл) его масса уменьшилась на 100 г. Какова массовая доля соли в полученном растворе?
При охлаждении 200 г 5%-ного раствора перманганата калия выпал осадок перманганата калия массой 4 г. Какова массовая доля соли в полученном растворе?

Используйте дополнительную информацию

Аргументируйте свою точку зрения на процесс растворения на основе физической и химической теорий растворов. Обсудите этот вопрос с одноклассниками.