Урок 16. Тема: «Растворы. Процесс растворения веществ

Урок 16. Тема: «Растворы. Процесс растворения веществ. Характеристики количественного состава растворов:
массовая доля и молярная концентрация растворенного вещества».
Растворы имеют огромное значение в природе и технике. Растения усваивают вещества в виде растворов. Усвоение пищи связано с
переводом питательных веществ в раствор. Все природные воды, а также важнейшие физиологические жидкости – кровь, лимфа и др. –
являются растворами. Многие химические реакции протекают в растворах.
Раствор – это однородная система переменного состава, которая состоит из двух или нескольких компонентов.
Раствор содержит не менее двух компонентов, один из которых расторитель, а другое – растворенное вещество.
Растворитель – это компонент раствора, который находится в том же агрегатном состоянии, что и раствор.
Растворенное вещество может быть в любом агрегатном состоянии.
Типы растворов: 1) жидкие : раствор жидкого вещества в жидком (раствор спирта в воде), раствор твердого вещества в жидкости (раствор
сахара в воде), раствор газообразного вещества в жидкости (раствор СО2 в воде – газированная вода);
2) твердые (сплавы); 3) газообразные (аэрозоли).
Содержание растворенного вещества в растворе выражают с помощью массовой доли.
Отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора называют массовой долей растворенного вещества.
Массовую долю обозначают греческой буквой «омега» и выражают в долях единицы или процентах:
Так массовая доля растворенных солей в пресных водах составляет в пределах от 0,01 до 0,1%, а в морской воде их около 3,5%. Рассмотрим,
как производить расчеты с использованием понятия массовая доля.
Алгоритм вычисления массовой доли(ω) растворенного вещества
Последовательность действий
Примеры
выполнения действий
1. Прочитайте текст задачи
2. Запишите
краткое условие и требование задачи с
помощью общепринятых обозначений
3. Составьте
формулу
массовой
доли
растворенного
вещества:
𝑊=
1. Рассчитайте массовую долю хлорида натрия в растворе,
полученном при смешивании 28 г соли и 252 г воды
2. Дано:
m(NaCI) = 28г
m(H2O) = 252г
ω(NaCI) = ?
Решение:
3.
𝑚(𝑝 − 𝑝𝑎)
𝑚(в − ва)
4. Рассчитайте массу раствора по формуле
m(p-pa)=m(в-вa)+m(H2O)
5. Вычислите массовую долю растворенного вещества по
формуле, составленной в шаге3
4. m(р-ра)=m(NaCl) + H2O) = 28+252 =280 (г)
6. Запишите ответ
5.
6. Ответ: массовая доля хлорида натрия в растворе равна 0,1
Алгоритм нахождения массы растворенного вещества, если известны массовая доля растворенного вещества и масса раствора
Последовательность действий
Примеры
выполнения действий
1. Прочитайте текст задачи
1. Вычислите массу хлорида натрия, необходимую для
приготовления 200г раствора с массовой долей соли-0,05
2. Дано:
2. Запишите краткое условие и требование задачи с помощью
общепринятых обозначений
3. Составьте формулу расчета массы растворенного вещества
m(в-вa)= ω ∙m(p-pa)
4. Подставьте
в полученное в шаге 3 выражение цифровые
данные из условия задачи и проведите расчеты
5. Запишите ответ
m (p-pa) = 200 г
ω (NаCI)=0,05
ω (NаCI)=?
Решение:
3. m (NaCI) = w(NaCI) • m (p-pa)
4. m(NaCI) = 0,05∙200 = 10(г)
5. Ответ: для приготовления 200г раствора с массовой долей
хлорида натрия 0,05 необходимо 10 г соли
Алгоритм нахождения массы воды, необходимой для приготовления раствора, если известны массовая доля растворенного
вещества и масса раствора
Последовательность действий
Примеры
выполнения действий
1. Прочитайте текст задачи
1. Рассчитайте массу воды, необходимой для приготовления 300г
раствора с массовой долей сульфата меди 0,2
2. Запишите
краткое условие и требование задачи с помощью
общепринятых обозначений
3. Напишите формулу массовой доли растворенного вещества:
𝛚=
𝑚(𝑝 − 𝑝𝑎)
𝑚(в − ва)
4. Преобразуйте
эту формулу в выражение, удобное для расчета
массы растворенного вещества:
m(в-вa)= W ∙m(p-pa)
5. Вычислите по формуле (см. шаг 4) массу растворенного вещества
2. Дано:
m(p-pa)=300г
ω (CuSO4=0,2
m(H2O)=?
Решение:
3.
4. m (CuS04) =w(СuS04) - m(p-p)
6. Найдите массу воды по разности между массой раствора и массой
5. m (CuSO4) = 0,2∙300=60(г)
растворенного вещества: M(H2O)=m(p-pa)-m(в-ва)
6. m(H2O) = m(p-pa) – m(CuSO4) = 300 – 60 = 240 (г)
7. Ответ: для приготовления 300г раствора с массовой долей сульфата
7. Запишите ответ
0,2 потребуется 240.г воды
Алгоритм нахождения массы раствора
Последовательность действий
Примеры
выполнения действий
1. Прочитайте текст задачи
33
1. Рассчитайте массу раствора, содержащего 160 г воды, если массовая
доля сульфата меди в нем составляет 0,20
2. Запишите краткое условие и требование задачи с
помощью общепринятых обозначений
2. Дано:
m(H2O)=160г
ω (CuSO4) = 0,2
m(р-pa) = ?
Решение:
3. m (p-pa) =m (CuSO4) + m (H2O)
3. Запишите формулу для расчета массы раствора по массе
его компонентов:
m(p-pa)=m(в-вa)+m(H2O)
4. Запишите формулу для расчета массы раствора по
4.
массовой доле растворенного вещества:
𝑚(в − ва)
𝑚(𝑝 − 𝑝𝑎) =
𝛚(в − ва)
5. Полученные в шагах 3 и 4 формулы сведите в
одноуравнение
с
одним
неизвестным
х(масса
растворенного вещества) и решите его
𝑚(в − ва)
𝑚(𝑝 − 𝑝𝑎) = 𝑚(в − ва) + 𝑚(𝐻2 𝑂) =
𝑤
𝑚(в − ва) = 𝑥
𝑚(𝐻2 𝑂) ∙ 𝑤
𝑥=
1−𝑤
6. Вычислите массу раствора по формуле (см шаги 3,4)
5.
m(CuSO4)=40г
6. 40 г+160 г = 200 г
7. Ответ: масса раствора, содержащего 160 г воды и сульфат меди с
7. Запишите ответ
массовой долей 0,2, будет равна 200 г
Помимо процентной концентрации, часто удобно пользоваться МОЛЯРНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ.
Молярная концентрация С – это отношение количества растворенного вещества v (в молях) к объему раствора V в литрах.
Единица молярной концентрации – моль/л. Зная число молей вещества в 1 л раствора, легко отмерить нужное количество молей для реакции
с помощью подходящей мерной посуды.
В качестве примера рассмотрим получение нерастворимого в воде хлорида серебра (AgCl) с помощью реакции обмена:
AgNO3 + NaCl = AgCl (осадок) + NaNO3
Кстати, не нужно запоминать, какие соли растворимы, а какие нерастворимы в воде. Для этого существует таблица растворимости
Допустим, в лаборатории имеется раствор AgNO3, концентрация которого 1 моль/л. Это означает, что в 1 л такого раствора содержится 1
моль нитрата серебра.
По уравнению реакции на 1 моль AgNO3 нужен 1 моль NaCl. Следовательно, если мы смешаем одинаковые объемы растворов AgNO3 и NaCl
одинаковой концентрации 1 моль/л, то реакция пройдет до конца и в реакционной колбе окажется только раствор нитрата натрия (NaNO3) в
воде, а на дно сосуда выпадет осадок хлорида серебра AgCl. При этом исходных соединений в сосуде не останется.
Но как приготовить для реакции нужный раствор NaCl? Для этого существуют специальные мерные колбы (рис. 4).
Рис. . Последовательность приготовления молярного раствора хлорида натрия (1моль/л NaCl): а) берут мерную колбу емкостью 1 л; б)
помещают в колбу навеску кристаллического NaCl. в) в колбу добавляют немного дистиллированной воды, растворяют кристаллы и
доливают раствор водой до метки 1 л, после чего тщательно перемешивают.
Мерная колба представляет собой сосуд с тонкой шейкой, на которой по стеклу нанесена кольцеобразная метка. Если заполнить мерную
колбу жидкостью до метки, то ее объем составит ровно 1 л. Возьмем такую колбу и приступим к приготовлению нужного нам раствора
NaCl.
Молекулярный вес NaCl составляет (23 + 35,5) = 58,5. Следовательно, молярная масса NaCl (масса 1 моль) равна 58,5 г. Взвесим это
количество NaCl на весах и поместим кристаллы в мерную колбу. Затем добавим немного воды и растворим кристаллы, покачивая колбу.
Когда вся соль растворится, дольем раствор водой до метки. Мерные колбы делают таким образом, что объем раствора достигает точно 1 л,
когда водный мениск (уровень воды, слегка изогнутый силами поверхностного натяжения) касается метки своей нижней частью. После
этого раствор аккуратно перемешаем.
** Молярную концентрацию (или МОЛЯРНОСТЬ растворов) принято обозначать буквой М. Например, раствор концентрации 1 М содержит
1 моль вещества на литр раствора. Такой раствор называют МОЛЯРНЫМ. Раствор концентрации 0,1 М содержит 0,1 моль вещества на литр
раствора и называется ДЕЦИМОЛЯРНЫМ. Растворы концентрации 0,01 М (или 0,01 моль на литр) иногда называют САНТИМОЛЯРНЫМИ.
Итак, мы приготовили раствор NaCl, концентрация которого составляет 1 моль/л, то есть одномолярный или просто молярный раствор.
Молярные концентрации в общем виде иногда обозначают следующим образом:
CNaCl = 1 моль/л
При смешивании любых равных объемов молярных растворов AgNO3 и NaCl всегда будет получаться только раствор NaNO3 в воде и осадок
AgCl, не содержащие примеси ни одного из исходных реагентов. Отфильтровав осадок и промыв его водой, мы получим чистую соль AgCl
(она в воде практически не растворяется). Упарив отфильтрованный раствор, мы получим только чистый нитрат натрия NaNO3. Это не
удивительно, потому что смешивая равные объемы растворов, мы берем одинаковое количество молей (или частей моля) реагирующих
веществ. В них содержится одинаковое количество молекул AgNO3 и NaCl, которые реагируют между собой без остатка.
На фотографии слева показан опыт, который мы обсуждаем. Видно, как при смешивании растворов исходных
солей выпадает белый осадок AgCl.
Если бы мы взяли не молярные, а, например, 10%-ные растворы AgNO3 и NaCl (одинаковые объемы), то в них
бы содержалось разное число молекул этих веществ и одна из этих солей не израсходовалась бы полностью и
осталась в растворе. Какая же из двух солей оказалась бы в избытке? Та, число молей которой больше. Это
будет NaCl – соль с меньшим молекулярным весом, поскольку в одинаковой массе солей число более легких
молекул (и молей) NaCl оказывается большим.
Каждый способ выражения концентрации раствора удобен в зависимости от цели, которую преследует химик
или технолог. Процентные концентрации более удобны в технике, медицине, экологии. Молярные
концентрации чаще встречаются в лабораторной практике.
Примеры решения задач.
Задача 1
Раствор объемом 500 мл содержит NaOH массой 5 г. Определить молярную концентрацию этого раствора.
Дано
V(р-ра)=500мл, или 0,5 л
m(NaOH )=5г;
____________________
Найти: C(NaOH )
Решение:
1. Вычислим число моль в 5 г NaOH :
n(NaOH)=m(NaOH)/M(NaOH); n=5г/40г/моль=0,125 моль
2. Определим молярную концентрацию раствора:
C=n(NaOH)/V(р-ра);
C=0,125 моль/0,5=0,25моль/л;
Ответ:C=0,25моль/л;
Задача 2
Вычислить массу хлорида натрия NaCl, содержащегося в растворе объемом 200 мл, если его молярная концентрация 2 моль/л.
Дано
Решение:
1. Вычислим число моль m(NaCl ), которое содержится в растворе объёмом 0,2л:
V(р-ра)=200мл, или 0,2 л
C=n(NaCl)/V(р-ра); n(NaCl)=С·V(р-ра);
C(NaCl )=2 моль/л
n(NaCl)=2моль/л·0,2л=0,4 моль
____________________
Найти: m(NaCl )
2. Вычислим массу NaCl:
m(NaCl)=M(NaCl)·n(NaCl); M(NaCl)=58,5г/моль
m(NaCl)=58,5г/моль·0,4 моль=23,4г NaCl
Ответ:m(NaCl)=23,4г
Задача 3
Вычислить молярную концентрацию раствора серной кислоты, если массовая доля H2S04 в этом растворе 12%. Плотность
раствора 1,08 г/мл при 20°С.
Дано
ρ(р-ра)=1,08г/мл
w(H2S04 )=12%, или 0,12
____________________
Найти: C(H2S04 )
Решение:
1. Чтобы перейти от массовой доли к молярной концентрации, надо рассчитать какую массу
имеют 1000 мл раствора:
m=ρ·V=1000мл·1,08г/мл=1080г
2. Вычислим массу H2S04 в этом растворе:
w(H2S04 )=m(H2S04 )/m(р-ра); m(H2S04 )=w(H2S04 )·m(р-ра)
m(H2S04 )=0,12·1080г=129,6г
3. Найдём сколько моль H2S04 содержится в 129,6г
n(H2S04 )=m(H2S04 )/M(H2S04 ); M(H2S04 )=98г/моль
n(H2S04 )=129,6г/98г/моль=1,32 моль;
4. Найдём молярную концентрацию серной кислоты в растворе:
C=n(H2S04 )/V(р-ра)=1,32моль/1л=1,32 моль/л
Ответ:C(H2S04 )=1,32 моль/л
Задача 4.
Молярность раствора едкого кали КОН равна 3,8 моль/л, его плотность 1,17 г/мл. Вычислить массовую долю (%) КОН в этом
растворе.
Дано
C(KOH)=3,8 моль/л
ρ(р-ра)=1,17г/мл
____________________
Найти: w(KOH )
Решение:
1. Определим количество вещества КОН в 1 л раствора:
C=n(KOH)/V(р-ра)
n(KOH)=С·V(р-ра)=3,8 моль/л·1л=3,8 моль.
2. Определим массу КОН в 1 л раствора:
n=m/M; m(KOH)=n(KOH)·M(KOH); M(KOH)=56г/моль;
m(KOH)=3,8 моль·56г/моль=212,8г;
3. Определим массу 1л (1000 мл) раствора:
m(р-ра)=V·ρ=1000мл·1,17г/мл=1170г
4. Определим массу едкого кали в растворе:
w(KOH)=m(KOH)/m(р-ра);
w(KOH)=212,8г/1170г=0,18, или 18%
Ответ:w(KOH )=18%
Домашнее задание.
Выучить теорию.
Разобрать примеры решения задач.