Способы выражения концентрации раствора

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине "Химия»

По теме «Растворы»

 

для бакалавров по направлениям

"Строительство", "Стандартизация и метрология", "Товароведение", "Технология художественной обработки материалов", "Техносферная безопасность", "Эксплуатация транспортнотехнических машин и комплексов", "Технология транспортных процессов" всех профилей

 

 

Ростов - на – Дону

УДК 541.2

 

Методические указания по дисциплине «химия». «Растворы». – Ростов н/Д: Рост.гос.строит.ун-т, 2011. – 8 с.

 

Изложена информация по классификации, номенклатуре, химическим свойствам и получению основных классов неорганических соединений. Рассчитаны на студентов, изучающих курс общей и неорганической химии на дневном и заочном отделениях.

 

Составитель: к.х.н., доц. Астахова Л.М.

 

Редактор Т.М. Климчук

Темплан 2011 г., поз. __________________________________________________________________

 

Подписано в печать

Формат 60x84/16. Бумага белая. Ризограф.

Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ

__________________________________________________________________

 

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162

 

© Ростовский государственный

строительный университет, 2011

Растворы имеют огромное значение в минеральной и органической жизни Земли, в науке, технике, строительстве.

Р а с т в о р - однородная в фазовом отношении сложная система переменного состава.

	Т в е р д ы е (минералы, сплавы)
Растворы

 

Ж и д к и е (раствор NaCl в воде)
	Г а з о о б р а з н ы е (воздух – 21 % О2 + 78 % N2 + 1 % др. газов)

 

Наиболее распространены жидкие растворы. Они состоят из р а с т в о р и т е л я (жидкость) и растворенного вещества. Например: раствор газа в жидкости – кислород

в воде; раствор твердого вещества в жидкости – сахар в воде; раствор жидкости в жидкости – серная кислота в воде. В случае смеси жидкостей растворителем является жидкость, которая содержится в большем количестве. Кроме того, жидкими растворами являются и те, в которых растворитель не вода, а другая жидкость (спирт, ацетон, толуол, керосин и др.).

Способность вещества растворяться всегда ограничена, исключение составляют жидкости, смешивающиеся друг с другом в разных соотношениях, например вода и этиловый спирт. Количество вещества, которое может раствориться при данной температуре в определенном количестве растворителя, называется р а с т в о р и м о с-

т ь ю (S). Единицы измерения растворимости г или моль растворенного вещества в 1 дм³ растворителя; г растворенного вещества в 100 г растворителя. Растворимость разных веществ в воде при постоянной температуре различается весьма сильно. Хорошо растворимыми считаются вещества, которые растворяются в воде более 10 г/л. Слабо растворимые – растворяются в воде в диапазоне от 0,01 до 10 г/л. Практически нерастворимые – растворяются в воде менее 0,01 г/л. Раствор, в котором при данной температуре вещество больше растворяться не может, называется н а с ы щ е н н ы м

(С= S, здесь С – концентрация растворенного вещества). Н е н а с ы щ е н н ы й раствор содержит меньшерастворенного вещества, чем насыщенный (С< S) при данной температуре; п е р е с ы щ е н н ы й раствор содержит растворенного вещества больше, чем насыщенный (С > S). Растворимость веществ обычно зависит от температуры. Растворимость большинства твердых и жидких веществ с повышением температуры увеличивается, газообразных - уменьшается.

Растворение - сложный физико-химическийц процесс. С одной стороны, растворяющееся вещество удаляется с поверхности кристалла и равномерно распреде- ляется по объему растворителя - физический процесс (диффузия). Скорость диффузии оказывает значительное влияние на скорость растворения. С другой - частицы растворенного вещества и растворителя взаимодействуют друг с другом - химический процесс (с о л ь в а т а ц и я). Если растворителем является вода, то говорят о г и д р а- т а ц и и растворенного вещества. Гидратная оболочка довольно прочно связана с частицами растворенного вещества и при его выделении из раствора входит в состав кристаллов.

 

CuSO₄ + H₂O ¾¾¾¾¾® синий р-р ¾¾¾¾¾® CuSO₄ 5H₂O

растворение выпаривание

 

CuSO₄ - вещество белого цвета; CuSO₄ 5H₂O – кристаллогидрат меди - вещество синего цвета. Вода, входящая в состав кристаллогидрата, называется кристаллизационной.

Помимо наличия кристаллогидратов, доказательством того, что растворение хими- ческий процесс, является тепловой эффект при растворении. Например, если поместить в стакан с водой твердую соль NH₄NO_3, то в результате растворения последней темпе- ратура раствора понижается так сильно, что стакан примерзает к поверхности,на которой стоит, если она смочена водой; при добавлении H₂ SO₄ в стакан с водой последний заметно нагревается.

Установлено, что тепло поглощенное при растворении (отрицательный тепловойэффект) затрачивается на разрушение кристаллической решетки и диффузия раство- ряющегося вещества на весь объем раствора (физический

процесс). Причиной положительного теплового эффектаслужит образование сольватов (химический процесс).

Общий тепловой эффект растворения - алгебраическая сумма положительного и отрицательного тепловых эффектов. В зависимости от природы растворяемого вещества соотношение положительного и отрицательного эффектов при растворении меняется и, следовательно, меняются величина и знак суммарного теплового эффекта.

Любой растворитель характеризуется параметрами: давление насыщенного пара, осмотическое давление, температуры кипения и замерзания. Для разбавленных растворов неэлектролитов аналогичные свойства изменяются пропорционально концентрации растворенного вещества и описываются законами Ф. Рауля и Я. Вант-Гоффа.

I закон Рауля

Давление насыщенного пара растворителя над раствором всегда меньше, чем над чистым растворителем. При этом чем больше концентрация растворенного вещества, тем больше понижается давление пара над раствором.

P = P^o× c^o ,

где c^o – молярная доля растворителя в растворе; Р и Р^о - соответственно давление пара растворителя над раствором и растворителем.

II закон Рауля

Температура кипения раствора Т₂ выше температуры кипения чистого растворителя Т₁ (DТ_кип = Т₂ - Т₁). При этом чем выше концентрация раствора, тем выше температура кипения.

DТ_кип = Е×С.

Растворы замерзают при более низкой температуре, чем чистый растворитель. При этом, чем выше концентрация растворённого вещества, тем ниже температура замерзания

DТ_зам = К×С,

где С – концентрация раствора; Е – эбулиоскопическая постоянная, которая равна повышению температуры кипения при растворении 1 моля вещества в 1 кг растворителя; К – криоскопическая постоянная, которая численно равна понижению температуры замерзания при растворении 1 моль вещества в 1 кг растворителя.

Закон Вант-Гоффа

Осмотическое давление равно такому давлению, которое нужно приложить к раствору для предотвращения проникновения в него растворителя

p = С× R×T,

где p - осмотическое давление; R – газовая постоянная, равная 8,314 Дж/К × моль;

Т – температура, К.

Способы выражения концентрации раствора

 

К о н ц е н т р а ц и е й раствора называется весовое (в случае газа объемное) содержание растворенного вещества в весовом количестве или в определенном объеме раствора. Растворы с большой концентрацией называются концентрированными, с малой - разбавленными. Концентрацию растворов выражают разными способами.

1. Массовая доля (w) показывает, какая масса растворенного вещества содержится в 100 г раствора

w = m₁/m₂ ,

где m_{1 –} масса растворенного вещества; m₂ – масса раствора. Процентная концентрация раствора - w·100 %.

2. Молярная концентрация (С_м) показывает количество растворенного вещества ν, моль, которое содержится в 1 литре (1 дм³) раствора

 

См = ν /V, моль/л,

где V – объем раствора в дм³.

Молярность раствора обозначается буквой М. Например, если в растворе содержится 1 моль вещества, то такой раствор называется молярным – 1 М; 0,1 моль – децимолярным (0,1 М); 0,01 моль – сантимолярным (0,01 М); 0,001 моль – миллимолярным (0,001 М).

3. Эквивалентная (С_н) или нормальная (Н.) концентрация выражается числом эквивалентов растворенного вещества в 1 литре (1 дм³) раствора

 

С_н = m/ M_э· V, моль/л,

где m - масса растворенного вещества, г; M_э – молярная эквивалентная масса растворенного вещества (г/моль); V - объем раствора (л).

1. Мольная доля (c) растворенного вещества А – отношение числа его молей ν_А к общему числу молей. Если в растворе содержатся вещества А, В, С, то

c = ν_А/ ν_А + ν_В + ν_С.

5. Моляльная концентрация (С_m) - количество растворенного вещества, приходящееся на 1 кг растворителя. Единица измерения С_m - моль/кг.

6. Титр раствора показывает, сколько граммов растворенного вещества находится в 1 мл раствора. Зная нормальность раствора, титр вычисляют по формуле

Т = Н.· М_э/ 1000, г/мл.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Опыт 1. Приготовить раствор из навески твердой соли с определенной массовой долей (в процентах):

А) 100 г 4 %-го раствора карбоната натрия из кристаллогидрата Na₂CO₃·10 H₂O и воды.

Б) 120 г 12 %-го раствора Na₂CO₃;

В) 50 г 16 %-го раствора Na₂CO₃.

Выполнение работы:

- вычислить, какое количество кристаллогидрата Na₂CO₃·10 H₂O потребуется для приготовления раствора заданной концентрации безводной соли;

- отвесить на кальке рассчитанное количество соли на технических весах с точностью до 0,01 г;

- рассчитать, какой объем воды необходим для растворения взятой навески, отмерить мерным цилиндром рассчитанный объем, вылить воду в колбу и растворить в ней навеску соли;

- вылить раствор в цилиндр на 100 мл и ареометром измерить плотность приготовленного раствора (сравнить показания ареометра с табличными данными, таблица);

- рассчитать молярность и нормальность приготовленного раствора.

Опыт 2. Приготовление растворов молярной и нормальной концентрации из навески твердого вещества NaCl:

А) 100 мл 0,05 М раствора; Б) 50 мл 2 Н раствора.

Выполнение работы:

- рассчитать необходимое количество соли для приготовления

соответствующих объемов заданной концентрации;

- взвесить навески на технических весах с точностью до 0,01 г;

- высыпать навеску через воронку в мерную колбу заданной емкости и тщательно смыть дистиллированной водой остатки соли с воронки;

- навеску растворить в малом количестве воды, после полного растворения соли долить водой колбу до метки, закрыть и хорошо перемешать.

 

%
Плотность Na2CO3, г/см3	1,009	1,019	1,040	1,082	1,103	1,124	1,146	1,167

ЗАДАЧИ

1. Определить массовую долю растворенного вещества в растворе, в котором 75 г сахара растворены в 217 г воды.

2. Найти массовую долю растворенного вещества, если к 120 г с массовой долей 30% прибавили 200 мл воды.

3. Сколько граммов серной кислоты содержится в 500 мл 25 %-го раствора, плотность которого равна 1,170 г/мл?

4. Сколько граммов глауберовой соли Na₂ SO₄ 10H₂O и воды необходимо взять для приготовления 750 г 10 %-го раствора Na₂ SO₄?

5. Сколько граммов едкого кали и воды надо взять для приготовления 500

20%-го раствора плотностью 1,19 г/мл?

6. Какова молярность раствора щелочи в 250 мл раствора содержащего 10 г

едкого натра?

7. Какова нормальность 3 М раствора сульфата меди?

8. Какова молярность 0,1 Н раствора нитрата серебра?

9. На нейтрализацию 50 мл раствора кислоты было израсходовано

25 мл 0,5 Н раствора щелочи. Чему равна нормальность кислоты?