Методические указания к занятию № 3 Тема: Учение о растворах. Способы выражения состава растворов.

Цель работы. Ознакомиться со способами выражения концентрации растворов и освоить практические приемы приготовления растворов заданной концентрации. Теоретическая часть. По агрегатному состоянию растворы могут быть жидкими (морская вода), газообразными (воздух) или твёрдыми (многие сплавы металлов). Различают истинные, коллоидные растворы и взвеси. Истинные растворы – размер частиц 10^-7-10^-8см, т. е. атомы или молекулы. Коллоидные растворы – размер частиц 10^-5-10^-7см, т. е. растворы органических веществ. Взвеси – размер частиц > 10^-5см. Растворы – однородная многокомпонентная система, состоящая из растворителя, растворённых веществ и продуктов их взаимодействия. Обычно растворителем является тот компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора. При одинаковых агрегатных состояниях компонентов растворителем считают вещество, содержание которого в растворе наибольшее. Растворы бывают:

газообразные	жидкие	твердые
газ – газ	жидкость – газ	твердое в-во – газ
газ – жидкость	жидкость – жидкость	твердое в-во – жидкость
газ – твердое вещество	жидкость –твердое в-во	твердое в-во – твердое в-во

 

Физическая и химическая теория растворов Растворы образуются за счет взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя и занимают промежуточное положение между химическими соединениями и механическими смесями. Существовало две точки зрения на природу растворов: физическая и химическая. Физическая теория растворов. Растворы рассматриваются как смеси, возникающие в результате распределения растворяемого вещества в среде растворителя. Свойства растворов зависят только от числа молекул растворимого вещества в данном объеме раствора. Физическая теория не объясняла тепловые эффекты при растворении, образование кристаллогидратов и уменьшение объема при растворении (Вант – Гофф, Аррениус, Рауль). Химическая теория растворов. Растворенное вещество и растворитель взаимодействуют между собой с образованием нестойких комплексов – сольватов (или для водных растворов – гидратов). Процесс образования таких комплексов называется сольватацией (гидратацией). Во многих случаях такие соединения непрочны и легко разлагаются при нагревании. При этом выкристаллизовываются не чистые соли, а их соединения с водой – кристаллогидраты (CuSO₄·nH₂O, Na₂SO₄·nH₂O). В настоящее время известно, что эти комплексы образуются за счет донорно-акцепторного, диполь-дипольного взаимодействия, водородных связей и т. д. В результате этого взаимодействия выделяется тепло. Таким образом, процесс растворения – это сложный физико-химический процесс, при котором растворы образуются за счет взаимодействия частиц растворенного вещества и растворителя (Д. П. Коновалов, И. А. Каблуков, Н. С. Курнаков). 

Растворимость – это концентрация насыщенного раствора. По растворимости в воде все вещества делятся на три группы: а) хорошо растворимые – в 100 г воды растворяется более 10 г вещества (сахар, медный купорос, поваренная соль, спирт и т. д.); б) малорастворимые – растворяется менее 1 г вещества (гипс, сульфат железа, азот и т. д.); в) практически нерастворимые – в раствор переходит менее 0, 01 г вещества ( стекло, серебро, золото и т. д.). Растворимость вещества зависит от: – природы растворенного вещества и растворителя; – температуры; – давления; – площади соприкосновения твердого вещества с жидкостью.

Природа растворяемого вещества. Кристаллические вещества подразделяются на: • P – хорошо растворимые (более 1, 0 г на 100 г воды); • M – малорастворимые (0, 1–1, 0 г на 100 г воды); • Н – нерастворимые (менее 0, 1 г на 100 г воды). (Смотри таблицу растворимости.) Природа растворителя. Подобное растворяется в подобном. При образовании раствора связи между частицами каждого из компонентов заменяются связями между частицами разных компонентов. Чтобы новые связи могли образоваться, компоненты раствора должны иметь однотипные связи, т. е. быть одной природы. Поэтому ионные вещества растворяются в полярных растворителях и плохо в неполярных, а молекулярные вещества наоборот. Влияние температуры. Если растворение вещества является экзотермическим процессом, то с повышением температуры его растворимость уменьшается (например, Ca(OH)₂ в воде) и наоборот. Для большинства солей характерно увеличение растворимости при нагревании. Практически все газы растворяются с выделением тепла. Растворимость газов в жидкостях с повышением температуры уменьшается, а с понижением увеличивается. Растворимость газов в жидкостях пропорциональна их парциальным давлениям – закон Генри. Влияние давления. С повышением давления растворимость газов в жидкостях увеличивается, а с понижением уменьшается. По количеству растворенного вещества в растворителе растворы бывают ненасыщенные, насыщенные и перенасыщенные. Ненасыщенный раствор – раствор, содержащий меньше вещества, чем в насыщенном. Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества. Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе, присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. Пересыщенный раствор – раствор, содержащий больше вещества, чем в насыщенном. Пересыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.

Состав раствора количественно принято выражать через безразмерные относительные величины – доли (массовую, объемную молярную) и размерные величины – концентрации.

Концентрация показывает отношение массы или количества растворенного вещества в единице объема раствора.

Массовая доля – это отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора.

Молярная концентрация (М) определяется числом молей вещества в 1 л раствора: Для определения молярной концентрации эквивалентов необходимо ввести ряд понятий. Эквивалентом называют реальную или условную частицу вещества Х, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону водорода или в данной реакции окисления-восстановления – одному электрону. Под условной частицей понимают молекулу, ион, электрон. Величина эквивалента изменяется в зависимости от стехиометрии реакции. Поэтому введено понятие «фактор эквивалентности». Фактор эквивалентности – это число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной реакции окисления-восстановления.

Молярной массой эквивалента вещества Х называется масса одного моля эквивалента этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества.

Вопросы для подготовки к лабораторной работе:

1. Дайте определение понятий: раствор, растворитель, растворенное вещество.

2. Что такое тепловой эффект химической реакции.

3. Количественные характеристики растворов: титр раствора, массовая доля растворенного вещества.

4. Определение истинных растворов и их классификация.

5. Механизм образования растворов. Тепловые эффекты при растворении.

6. Растворимость. Факторы, влияющие на величину растворимости. Закон Генри, закон Сеченова для растворимости газов в крови.

7. Способы выражения количественного состава растворов. Расчёты по определению количественного состава растворов.

Экспериментальная часть.

Опыт 1. Приготовление раствора соли с заданной концентрацией

Варианты:

 1) 100 мл р-ра См= 0, 6 KNO₃;

2) 200 мл р-ра Сн= 0, 25 K₂Cr₂O₇;

3) 250 мл р-ра См = 0, 5 NaCl;

4) 250 мл р-ра См = 0, 5 NH₄Cl;

5) 200 млр-ра Сн = 0, 25 K₂SO₄;

6) 250 мл р-ра См = 0, 5 KCl. 

Рассчитайте количество граммов сухой соли m(х), необходимое для приготовления заданного раствора.

Результаты расчетов проверьте у преподавателя. Отвесьте на технохимических весах рассчитанное количество вещества. В мерную колбу, соответствующую заданному в опыте 1 объему, вставьте воронку с укороченным концом, перенесите аккуратно в нее навеску соли. Небольшим количеством дистиллированной воды обмойте воронку и смойте всю соль в колбу. Постепенно добавляя воду и перемешивая жидкость легким круговым движением колбы, добейтесь полного растворения вещества. После растворения всей соли добавьте воду в колбу до метки. Последние порции следует добавлять по каплям из пипетки. Плотно закройте колбу пробкой и перемешайте раствор, несколько раз поворачивая колбу вверх дном. Раствор в мерной колбе оставьте для следующего опыта.  

Опыт 2. Приготовление раствора соли заданной концентрации из более концентрированного раствора

Приготовьте раствор с массовой долей вещества w = 0, 02 (или 2 %).

Варианты:

1) 180 мл KNO₃;

2) 200 мл K₂Cr₂O₇;

3) 140 мл NaCl;

4) 130 мл NH₄Cl;

5) 160 мл K₂SO₄;

6) 150 мл KCl.

Рассчитайте объем раствора (мл), полученного в опыте 1, который необходимо взять для приготовления раствора в опыте 2, и разбавьте затем водой до заданного объема в опыте 2.

Результаты расчета в мл проверьте у преподавателя. Отмерьте цилиндром рассчитанный объем V3 и долейте дистиллированной водой до заданного объема V2. Тщательно перемешайте раствор и определите плотность полученного раствора. Для этого в цилиндр с раствором, заполненным приблизительно на три четверти его высоты, погрузите ареометр (измерения производятся на столе у преподавателя). Во время наблюдения ареометр не должен касаться стенок цилиндра. Показания шкалы ареометра на уровне поверхности раствора отвечают его плотности. Измерения повторите. Определите ошибку эксперимента.

Сделайте общий вывод по работе.

_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Контрольные вопросы и задачи

1.    В 600 см³ Н₂О растворили 70 г КОН. Плотность получившегося раствора оказалась равной 1, 08 г/см³. Рассчитайте: а) массовую долю КОН; б) мольную долю КОН; в) молярную концентрацию КОН; г) моляльную концентрации КОН; д) титр раствора.

2.    Молярная концентрация KMnO₄ в растворе равна 0, 5 моль/дм³. Плотность раствора составляет 1, 05 г/см³. Рассчитайте: а) моляльную концентрацию KMnO₄; б) массовую долю KMnO₄; в) мольную долю KMnO₄; г) титр раствора.

3.    Какую массу (г) кристаллогидрата CuSO₄•5Н₂О и какой объем (см³) 10% раствора CuSO₄ (р = 1, 1 г/ см3) нужно взять для получения 800 см³ 30% раствора CuSO₄ (р = 1, 3 г/ см³).

4.    Какую массу кристаллогидрата (г) FeCl₃•6H₂O и какой объем (см³) Н₂О нужно взять для получения 900 мл 20% раствора FeCl₃ (р = 1, 2 г/см³).

5.    Какой объем (см3) 5% раствора азотной кислоты (р = 1, 05 г/см3) и какой объем (см³) 50% раствора азотной кислоты (р = 1, 5 г/см³) нужно смешать для получения 2, 5 литров 25% раствора азотной кислоты (р = 1, 2 г/см³).

6.    Какую массу (г) К₂О и какой объем (см³) 5% р калий-гидроксида (р = 1, 05 г/см³) нужно взять для получения 1 литра 40% раствора калий-гидроксида (р = 1, 4 г/ см³).

7.    Сколько граммов калий-оксида нужно добавить к 200 см3 15% раствора КОН (р = 1, 12 г/ см³) чтобы получить 20% раствор калий-гидроксида.

8.    К 400 см³ воды добавили 500 см³ 96% раствора серной кислоты (р= 1, 84 г/ см³). В результате образовался раствор, плотность которого равна 1, 225 г/ см³. Определите массовую долю кислоты и ее молярную концентрацию в полученном растворе.

9.    Какой объем (см³) уксусного ангидрида (р=1, 09 г/ см³) и какой объем (см³) 10% раствора уксусной кислоты (р = 1, 05 г/ см³) потребуется для получения 800 см³ 40% раствора уксусной кислоты (р = 1, 15 г/ см³).

10.  Какую массу (г) Р₂О₅ и какой объем (см³) 20% раствора Н₃РО₄ (р = 1, 12 г/ см³) нужно взять для получения 1, 5 литров 50% раствора Н₃РО₄ (р = 1, 35 г/ см³).

Литература для самоподготовки:

1.    Габриелян, О. С. Общая и неорганическая химия: учеб.пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению 050100 " Пед. образование" / О. С. Габриелян, И. Г. Остроумов, Е. Г. Турбина. - М.: Академия, 2011. – 479с.

2.    Григорьева О. С., Рязапова Л. З., Мифтахова Н. Ш. Общая и неорганическая химия: лабораторный практикум с использованием микрохимического оборудования по дисциплине «Общая и неорганическая химия», Ч. 1. Казань: КГТУ, 2010. – 137с.

3.    Коровин Н.В. Лабораторный практикум: учебное пособие \ Н.В. Коровин, В.К. Камышова, Е.Я. Удрис; под общей ред. Н.В. Коровина. – Москва: КНОРУС, 2017. – 336 с.

4.    Общая и неорганическая химия. Учебный справочник / Гусева А.Ф., Атманских И.Н., Балдина Л.И., Анимица И.Е., Нохрин С.С., Кочетова Н.А. Отв. редактор: Нохрин С.С. / Екатеринбург: Издательство Уральского университета, 2012. – 80с.

5.    Сироткин О.С. Химия: учебник / О.С. Сироткин, Р.О. Сироткин. – Москва: КНОРУС, 2019. – 364 с.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: