Тема: Свойства растворов. Концентрация растворов
Плотностью раствора называется отношение массы раствора к его объему. Единицей плотности в международной системе (СИ) является кг/м3. Эта единица слишком велика в лабораторной практике, в связи с этим в химии применяют не системные единицы: кг/л или г/мл.
Плотность раствора закономерно изменяется при изменении концентрации. Плотность жидкости может быть определена при помощи пикнометра, гидростатических весов, ареометра.
Наиболее быстро, с точностью до 1%, плотность жидкости определяется ареометром. Ареометр представляет собой пустотелый стеклянный поплавок, шарик которого заполнен дробью или ртутью. Верхняя часть его вытянута в виде узкой трубки, на которой нанесены деления, соответствующие различным значениям плотности. Ареометр калибруется при определенной температуре, которая указывается на шкале. Для того, чтобы увеличить точность измерения, изготавливаются наборы ареометров, каждым из которых можно измерять плотность в очень узком интервале значений. Такими наборами измеряется плотность жидкости легче и тяжелее воды.
В химической практике, а также в быту часто возникает необходимость в приготовлении растворов различной концентрации. Способов приготовления растворов много, но каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками. Например, приготовление раствора по «правилу креста» не требует сложных расчетов, но довольно велика относительная погрешность приготовления (до 10 %). Можно приготовить раствор с помощью фиксанала - это герметично запаянная стеклянная ампула с точно взятой навеской сухого вещества или точным объемом кислоты. В этом случае достигается самая высокая точность приготовления, но из-за высокой стоимости фиксаналов растворы на их основе готовят в редких случаях. Наиболее оптимальным является способ, когда более концентрированный раствор разбавляют водой до заданной концентрации. Это простой способ, позволяющий готовить растворы с довольно высокой точностью (ошибка менее 1 %).
Для приготовления раствора необходимо знание различных способов выражения концентрации и умение переходить от одного способа к другому.
Наиболее распространены пять способов выражения концентрации растворов:
1) Массовая доля растворенного вещества - масса растворенного вещества, содержащаяся в 100 массовых частях раствора.
2) Молярная концентрация ~ количество вещества в одном литре раствора.
3) Молярная концентрация эквивалента (эквивалентная концентрация) - количество эквивалентных масс вещества в одном литре раствора.
4) Моляльность - количество вещества в одном килограмме растворителя.
5) Титр - масса растворенноговещества в одном мл (см3) раствора.
При переходе от массовых концентраций (массовая доля, моляльность) к объемным (остальные) необходимо знать плотность раствора, которая определяется опытным путем с помощью ареометра.
Наиболее доступным и точным методом экспериментального определения концентрации растворов является титрование. Это метод количественного химического анализа, основанный на измерении объема раствора с известной концентрацией, затраченного на реакцию с раствором вещества неизвестной концентрации, которую нужно измерить. В зависимости от типа реакции, лежащей в основе процесса титрования, различают кислотно-основное титрование, окислительно-восстановительное и т.д.
Для определения концентрации щелочей применяется кислотно-основное титрование раствором кислоты. При этом протекает реакция нейтрализации:
NaОН + НС1 = NаС1 + Н2О,
к которой можно применить закон эквивалентов:
m (NaOH) / m (НС1) = МЭК(NaOH) / МЭК(НС1)
Если концентрация растворов является эквивалентной концентрацией (Сэк), то масса вещества (m) в объеме раствора (V) равна:
m = СЭКМЭК·V,
и выражение закона эквивалентов принимает вид
V (NаОН) ·Сэк(NаОН) = V(НС1) ·СЭК(НС1)
Таким образом, для определения эквивалентной концентрации щелочи необходимо знать концентрацию кислоты и объемы растворов кислоты и щелочи, вступивших в реакцию.
Экспериментальная часть
Опыт 1. Определение плотности жидкости тяжелее и легче воды (коллективный)
Цель: Определить плотность предложенных жидкостей ареометром. Подобрать ареометр. Провести замеры плотности жидкостей, плотность которых выше и ниже плотности воды.
Ход опыта.
1. Растворы солей, кислот и щелочей представлены в вытяжном шкафу. В стеклянный цилиндр опустите ареометр, шкала которого начинается с 1,00. Если при погружении ареометра шкала окажется полностью над жидкостью, или полностью под жидкостью, то ареометр нужно заменить и подобрать такой, чтобы уровень жидкости в цилиндре оказался в пределах шкалы ареометра. Следите за тем, чтобы ареометр не касался стенок цилиндра. После каждого цилиндра ареометр необходимо тщательно промыть водой.
2. Отметьте по нижнему мениску деление шкалы ареометра, совпадающее с уровнем жидкости в цилиндре. Запишите результат.
3. Определения повторите 3-4 раза и найдите среднюю величину из тех, результаты которых наиболее близки друг к другу. Это будет плотность раствора.
Опыт 2. Определение массовой доли вещества через плотность
В 4 (4 варианта) стеклянных цилиндрах емкостью 250 мл представлен раствор гидроксида натрия. В раствор осторожно опустить ареометр, шкала которого начинается с 1,00. После определения шкалы ареометра, необходимого для замера плотности, ареометр следует опустить в цилиндр не менее 3 раз для исключения погрешности. Записать показания ареометра (во время наблюдения ареометр не должен касаться стенок цилиндра). По таблице плотности раствора определить массовую долю растворенного вещества в исследуемом растворе. Если показания ареометра не совпадают с табличными данными, то массовую долю определить методом интерполяции. Метод интерполяции заключается в определении промежуточного, между табличными, значения искомой величины.
Предположим, что при помощи ареометра определена плотность раствора гидроксида натрия 1,125. По методу, интерполяции расчет проводят в следующем порядке.
1) По таблице плотностей находят меньшее и большее значения массовой доли NаОН и плотности растворов: Например, для раствора гидроксида натрия имеются такие данные:
| Плотность, кг/л | 1,00 | 1,05 | 1,10 | 1,15 | 1,20 | 1,25 | 1,30 | 1,35 | 1,40 | 1,50 |
| Масс. доля, % | 4,65 | 9,19 | 13,73 | 18,25 | 22,81 | 27,40 | 32,09 | 36,99 | 47,33 |
меньшее значение ω,% = 9,19 %, меньшее значение плотности = 1,10 г/мл;
большее значение ω,% = 13,73 %, большее значение плотности = 1,15 г/мл.
2) Находят разность между табличными значениями плотностей и концентраций:
1,15- 1,10=0,05 (г/мл), 13,73-9,19 = 4,54 (%).
3) Находят разность между значением плотности, определенной ареометром, и меньшим табличным: 1,125 - 1,100 = 0,025 (г/мл).
4) Составляют пропорцию и решают её:
4,54 (%) - 0,05 (г/мл)
Х - 0,025 (г/мл)
Х = 0,025·4,54/0,05 = 2,27%.
5) Найденное число прибавляют к меньшему табличному значению массовой доли и получают массовую долю NаОН в растворе с плотностью 1,125:
9,19 + 2,27= 11,46%.