Способы выражения состава растворов

ХИМИЯ

 

Методические рекомендации к практическим занятиям

Для студентов всех специальностей

Дневной и заочной форм обучения

 

КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ.

СВОЙСТВА РАСТВОРОВ НЕЭЛЕКТРОЛИТОВ.

ВТОРОЙ ЗАКОН РАУЛЯ

 

Могилев 2019

 

УДК 54

ББК 24.1

Х 46

Рекомендовано к опубликованию

Центром менеджмента качества образовательной деятельности

ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»

 

Одобрено кафедрой «Технологии металлов» «23» апреля 2019 г., протокол № 10

 

Составитель канд. биол. наук, доц. И. А. Лисовая

 

Рецензент канд. техн. наук, доц. М. Н. Мироноа

 

В методических указаниях представлены основные понятия темы, способы выражения концентрации растворов, закон Рауля. Приведены примеры решения некоторых задач, контрольные вопросы и упражнения.

 

 

Учебное издание

 

ХИМИЯ

 

 

Ответственный за выпуск Д. И. Якубович

Технический редактор А. А. Подошевко

Компьютерная верстка Н. П. Полевничая

 

Подписано в печать. Формат 60×84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Усл. печ. л.. Уч.-изд. л.. Тираж 71 экз. Заказ №

 

Издатель и полиграфическое исполнение:

Государственное учреждение высшего профессионального образования

«Белорусско-Российский университет».

Свидетельство о государственной регистрации издателя,

изготовителя, распространителя печатных изданий

№ 1/156 от 24.01.2014.

Пр. Мира, 43, 212000, Могилев.

 

© «Белорусско-Российский

университет», 2019

Растворы

 

Раствором называется термодинамически устойчивая однофазная (гомогенная) система переменного состава, состоящая из двух или более веществ (компонентов).

По характеру агрегатного состояния растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми.

Раствор состоит из растворителя и растворенного вещества.Обычно растворителем считают компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор (например, в водном растворе соли растворителем является вода). В случае одинакового агрегатного состояния компонентов (например, вода и спирт) растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе.

Жидкие растворы имеют чрезвычайно большое практическое значение, в них протекают многие химические реакции, в том числе технически и жизненно важные, лежащие в основе обмена веществ в живых организмах. Так как на равновесие и кинетику этих реакций оказывает влияние растворитель, то процессы в жидких растворах имеют свои особенности – наличие сил взаимодействия между молекулами растворителя и частицами растворенного вещества, а также возможность перемещения частиц относительно друг друга. Материалы, излагаемые далее в методических указаниях, относятся к жидким растворам.

Наиболее широко применяемым неорганическим растворителем является вода. Растворы с другими растворителями называются неводными, например: раствор нафталина в бензоле, раствор гидроксида калия в спирте и др.

 

Способы выражения состава растворов

Концентрацией раствора называется отношение количества или массы ве­щества, содержащегося в растворе, к определенной массе или определенному объему раствора или растворителя.

Введем обозначения:

m_В-ВА – масса растворенного вещества, г(в СИ – кг). Здесь и далее указаны размерности величин, которые наиболее часто встречаются при химических расчетах. Жирным шрифтом выделены наиболее часто используемые размерности;

m_Р-РА – масса раствора, г, кг;

m_Р-ЛЯ – масса растворителя, г, кг;

V_Р-РА – объем раствора, мл, л (или соответственно: см³, дм³);

V_Р-ЛЯ – объем растворителя, мл, л (соответственно: см³, дм³);

ρ_Р-РА – плотность раствора, г/мл, кг/л (соответственно: г/см³, кг/дм³);

ρ_Р-ЛЯ – плотность растворителя, г/мл, кг/л (соответственно: г/см³, кг/дм³);

M_В-ВА – молярная масса растворенного вещества, г/моль;

M_Р-ЛЯ – молярная масса растворителя, г/моль;

M_ЭК – молярная масса эквивалентов растворенного вещества, г/моль;

n_В-ВА – количество растворенного вещества, моль;

n_ЭК – количество эквивалентов вещества, моль;

n_Р-ЛЯ – количество растворителя, моль.

Взаимный пересчет параметров раствора, растворителя и растворенного вещества проводят с учетом следующих соотношений (для двухкомпонентного раствора: одно вещество и растворитель, если веществ несколько, то необходимо учитывать массы всех веществ):

 

m_Р-РА = m_В-ВА + m_Р-ЛЯ ;

m_Р-РА = ρ_Р-РА · V_Р-РА ;

; ; ;

V_Р-РА(2) ≠ V_Р-РА(1) + V_Р-ЛЯ; V_Р-РА(3) ≠ V_Р-РА(1) + V_Р-РА(2).

Приведем наиболее часто употребляемые в химии способы выраже­ния содержания растворенного вещества в растворе. В нижеприведенных формулах объемы взяты в литрах, массы – в граммах. При использовании указанных формул для решения задач, в условиях которых объемы и массы взяты в других единицах измерения, их предварительно пересчитывают.

Массовая доля ω – безразмерная величина, равная отношению массы ком­понента в растворе к массе всего раствора (размерности масс одинаковы):

 

Процентная концентрация С_% – показывает, сколько граммов растворенного вещества содержится в 100 г раствора:

 

.

Молярная концентрация С_М – отношение ко­личества вещества, содержащегося в растворе, к объему раствора, моль/л (сокращенное обозначение молярной концентрации в задачах – М, например: 2М – двумолярный раствор, т. е. С_М = 2 моль/л):

.

Молярная концентрация эквивалентов (эквивалентная С_ЭК , или нормальная концентрация С_Н) – это отношение количества эквивалентов вещества, содержащегося в растворе, к объему этого раствора, моль/л (сокращенное обозначение – н):

.

Молярные массы эквивалентов веществ рассчитываются по формуле

M_ЭК = f_ЭК · M_В-ВА,

где f_ЭК – фактор эквивалентности:

– для кислоты

,

где n_H – основность кислоты;

– для основания

,

где n_OH – кислотность основания;

– для соли

,

где n – число атомов металла в формульной единице соли;

B – валентность металла.

Для растворов с нормальной концентрацией справедлива формула, которая вытекает из закона эквивалентов:

 

n_{ЭК (1)} = n_{ЭК (2)},

следовательно,

C_{Н (1)} · V_{Р-РА (1)} = C_{Н (2)} · V_{Р-РА (2)}.

Моляльность С_m, моль/кг – определяется количеством вещества в
1 кг (1000 г) растворителя:

.

Молярная (мольная) доля растворенного вещества N – отношение количества растворенного вещества к общему количеству всех вещества, составляющих раствор, включая растворитель:

.

Молярная доля может быть выражена в долях единицы, в процентах. Сумма мольных долей всех компонентов раствора равна единице.

В случае двухкомпонентного раствора

.

Титр раствора С_Т или Т, г/мл или г/см³ – масса вещества, содержащаяся в 1 мл раствора:

.

Массовые концентрации (массовая доля, процентная, моляльная) не зависят от температуры; объемные концентрации относятся к определенной температуре.

 

Примеры решения задач

 

Пример 1 – На нейтрализацию 50 см³ раствора кислоты израсходовано 25 см³ 0,5 н раствора щелочи. Чему равна нормальность кислоты?

Решение

Так как вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных соотношениях, то растворы равной нормальности ре­агируют в равных объемах. При разных нормальностях объемы раство­ров реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям, т. е.

 

или

C_{Н (1)}· V_{Р – РА (1)} = C_{Н (2)}· V_{Р – РА (2)}.;

50 · C = 25 · 0,5 C = н.

Пример 2 – Определите моляльность 8-процентного раствора гидроксида натрия.

Решение

Моляльность выражается числом молей растворенного вещества в 1000 г растворителя:

.

Поскольку соотношение между веществом и растворителем для заданного раствора не зависит от его массы, то необходимые для решения данные вводим в условие задачи. Пусть масса раствора равна 100 г. Тогда из определения процентной концентрации следует, что в 100 г 8-процентного раствора содержится 8 г вещества и 100 – 8 = 92 г растворителя. Молярная масса NaOH равна 40 г/моль. Тогда

моль/кг.

Пример 3 – К 1 л 10-процентного раствора КОН (плотность
1,092 г/см³) прибавили 0,5 л 5-процентного раствора КОН (плотность
1,045 г/см³). Объем сме­си довели до 2 л. Вычислите молярную концентрацию полученного раст­вора.

Решение

Масса 1 л 10-процентного раствора КОН

m_Р-РА = ρ_Р-РА ·V_Р-РА · 1000 = 1,092 · 1 · 1000 = 1092 г.

В этом растворе содержится

109,2 г КОН.

Масса 0,5 л 5-процентного раствора КОН

m_Р-РА = ρ_Р-РА ·V_Р-РА · 1000 = 1,045 · 0,5 · 1000 = 522,5 г.

В этом растворе содержит­ся

26,125 г КОН.

В полученном растворе (2 л) содержится 109,2 + 26,125 = 135,325 г КОН.

Отсюда молярность этого раствора

= м.

 

Пример 4 – Какой объем 96-процентной серной кислоты плотностью 1,84 г/см³ потребуется для приготовления 3 л 0,4 н раствора?

Решение

Молярная масса эквивалента

М_эк (H ₂ SO ₄) = г/моль.

Для приготовления 3 л 0,4 н раствора требуется

0,4 ∙ 49 ∙ 3 = 58,8 г H₂SO₄.

Масса 1 см³ 96-процентной Н₂SО₄ равна 1,84 г. В этом растворе содержится

1,766 г Н₂SO₄.

Следовательно, для при­готовления 3 л 0,4 н раствора надо взять 58,8: 1,766 = 33,3 см³ раствора этой кислоты.