Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

3. . . .

.pdf
Скачиваний:
51
Добавлен:
09.06.2015
Размер:
2.62 Mб
Скачать

и невозбужденном состояниях, определите возможные степени окисле­ ния атомов.

63. Напишите электронные формулы элементов с порядковыми но­ мерами 40, 50, 82. В возбужденном состоянии данные элементы обра­ зуют с кислородом соединения типа Э0 2, напишите электроннографические формулы элементов, находящихся в соответствующем воз­ бужденном состоянии.

65.Напишите электронные формулы атомов элементов с поряд­ ковыми номерами 24 и 51, учитывая, что у первого элемента проис­ ходит «провал» одного 4s-электрона на Зd-подуровень. Чему равен максимальный спин d-электронов у атомов первого и p-электронов у атомов второго элемента?

66.Запишите электронные формулы элементов с порядковыми номерами 25 и 35. К каким семействам элементов они относятся и почему? Какие свойства должны быть характерны для этих элемен­ тов? Объясните сходство и различие в их свойствах.

67.Главное квантовое число n = 4. Запишите значения остальных квантовых чисел. Укажите элемент, у которого заканчивается запол­ нение электронами 4 dподуровня и запишите его электронную фор­

мулу. Сколько электронов находится на 4

s и 4 р орбиталях?

68.В атоме элемента на пятом энергетическом уровне находится 4 валентных электрона. Какими квантовыми числами они характери­ зуются? Укажите этот элемент, определите номер периода, группы. Определите возможные степени окисления этого элемента. Приведи­ те примеры соединений, с указанной степенью окисления.

69.Сколько электронов находится на энергетических уровнях, если главное квантовое число равно 2 и 4? Почему? Напишите электронные формулы атомов элементов, у которых заканчивается заполнение второго

ичетвертого энергетических уровней.

70. Какие элементы в периодической системе называются s -,p-, d-,f- элементами? Приведите примеры. Составьте электронные формулы (по одному представителю от каждого семейства). Сколько d-элементов мо­

жет быть в одном периоде? Почему?

40

71.Что в атоме называют энергетическим уровнем и энергетиче­ ским подуровнем? Из какого числа подуровней состоит четвертый энер­ гетический уровень и какое число орбиталей он содержит? Почему? Со­ ставьте электронную формулу атома, у которого заканчивается заполне­ ние 4р- и 4 d- подуровней.

72.Назовите квантовые числа, характеризующие состояние электро­ на в атоме. Какие значения может принимать магнитное квантовое число

ичто оно характеризует? Составьте электронную формулу атома бария. Какими значениями квантовых чисел характеризуются валентные элек­ троны атома бария?

73.Как формулируется принцип Паули? Что такое энергетический уровень? Объясните, почему на втором энергетическом уровне не может быть больше восьми электронов, а на четвертом - тридцати двух электро­ нов? Составьте электронную формулу элемента, у которого заканчивается заполнение второго и четвертого энергетических уровней.

74.Какое квантовое число определяет форму орбиталей? Из скольких подуровней состоит четвертый энергетический уровень? Сколько орбиталей он содержит? Почему? Составьте электронную формулу элемента, у которо­ го заканчивается заполнение четвертого энергетического уровня.

75.В каком периоде и группе стоит элемент, имеющий три элек­

трона на внешнем энергетическом уровне, для каждого из которых n = 5 и l= 1? Какие значения для них имеет магнитное квантовое число ml? Составьте электронную формулу этого элемента. Чему равно их суммарное спиновое число в основном и возбужденном со­ стояниях?

4.ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ

Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

Периодическая система элементов отражает периодический закон

Д. И. Менделеева:свойства элементов, а также формы и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атома.

Периодическая таблица элементов состоит из периодов, групп и под­ групп.

41

2 6 nр. Ма­

Номер периодаопределяется главным квантовым числом

п. Каждый

период начинается элементом с электронной конфигурацией

nsl и закан­

чивается элементом с конфигурацией ns2 (первый период) или ns лые периоды (1-3) содержат 2 и 8 элементов, большие периоды - 18 и 32 элемента, седьмой период - незавершенный.

Номер группы (всего восемь групп) определяется суммарным числом электронов во внешнем слое или во внешнем и предвнешнем слоях.

Группы делятся на главные подгруппы, у которых электроны заполня­ ют внешние s- и p-оболочки: s- и p-семейства элементов; и побочные под­ группы, у которых электроны заполняют предвнешние (n - 1) d-оболочки: d-семейства элементов и (n - 2)f-оболочки f-семейства элементов.

Вряду атомов с последовательно возрастающим порядковым номе­ ром (и соответственно зарядом ядра) также последовательно увеличивает­ ся число электронов в них. Это приводит к периодическому повторению подобных конфигураций их электронных оболочек и подоболочек. Боль­ шинство физико-химических и химических свойств элементов находятся в зависимости от строения внешних электронных подоболочек.

Так как электронное строение атомов элементов изменяется периоди­ чески, то соответственно периодически изменяются и свойства элементов: энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность и раз­ меры атомов.

Радиус атома r выражают в нанометрах (нм) или пикометрах (пм). По периоду слева направо атомный радиус уменьшается. Поскольку заряд ядра увеличивается, электроны притягиваются с большей силой, что и уменьшает радиус. Для d- и f-элементов вдоль периода радиусы умень­ шаются незначительно, так как происходит заполнение глубинных подо­ болочек.

Вгруппах сверху вниз растет число электронных оболочек, увеличи­ вается главное квантовое число, поэтому радиус увеличивается.

Энергия ионизации Е- это энергия, необходимая для удаления одного моля электронов от одного моля атомов с превращением их в положи­ тельно заряженные ионы. Энергию ионизации выражают в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электрон-вольтах (эВ). Она возрастает по пе-

42

риоду и уменьшается в группах с увеличением порядкового номера эле­ мента и характеризует восстановительную способность элемента (способ­ ность «отдавать» электроны).

Энергию ионизации можно определять, бомбардируя атомы электро­ нами, ускоренными в электрическом поле. Наименьшую разность потен­ циалов, при которой скорость электрона становится достаточной для ио­ низации атомов, называют потенциалом ионизации атомов данного эле­ мента. Потенциал ионизации (I), выраженный в вольтах (В), численно ра­ вен энергии ионизации (Е), выраженной в электрон-вольтах.

При затрате достаточной энергии можно удалить из атома два, три и более электрона. Первый потенциал ионизации соответствует энергии от­ рыва первого электрона, второй - энергии отрыва второго электрона и т. д.

По мере последовательного отрыва электронов от атома положитель­ ный заряд образующегося иона возрастает. Поэтому для удаления каждого последующего электрона требуется большая затрата энергии, так что по­ следовательные потенциалы ионизации атома I1, I2, I3 возрастают.

Сродство к электрону - энергетический эффект присоединения моля электронов к молю нейтральных атомов с превращением их в отрицатель­ но заряженные ионы. Сродство к электрону выражается в килоджоулях на моль (кДж/моль) или в электрон-вольтах (эВ). Сродство к электрону уве­ личивается по периоду и уменьшается в группах с увеличением порядко­ вого номера элемента. Характеризует окислительную способность эле­ мента (способность «присоединять» электроны).

Электроотрицательность (ЭО) - полусумма энергий ионизации и сродства к электрону (по Р. Малликену, США). Понятие электроотрица­ тельности введено для характеристики способности атомов притягивать к себе электронную плотность. Имеется несколько шкал электроотрицательностей. Л. Полинг ввел относительную шкалу электроотрицатель­ ности (ОЭО), приняв ЭО лития равной 1. ОЭО возрастает по периоду и несколько убывает в группах с возрастанием порядкового номера элемен­ та, хотя эта зависимость носит сложный характер (табл. 2).

43

Электронными аналогаминазывают элементы, у которых валентные электроны расположены на орбиталях, описываемых общей для всех эле­ ментов формулой. В периодической системе элементов электронные ана­ логи входят в состав одной подгруппы.

Пример 1. На каком основании хлор и марганец помещают в одной группе периодической системы элементов? Почему их помещают в раз­ ных подгруппах?

Решение.Электронные конфигурации атомов:

Валентные электроны хлора а марганца таким обра­ зом, эти элементы не являются электронными аналогами и не должны размещаться в одной и той же подгруппе. Но на валентных орбиталях атомов этих элементов находится одинаковое число электронов - 7. На этом основании оба элемента помещают в одну и ту же седьмую группу периодической системы, но в разные подгруппы.

Пример 2. Какую высшую и низшую степень окисления проявляют мышьяк, селен и бром? Составьте формулы соединений данных элемен­ тов, отвечающих этим степеням окисления.

Решение.Высшую степень окисления элемента определяет номер

 

группы периодической системы Д. И. Менделеева, в которой он находит­

 

ся. Низшая степень окисления определяется тем условным зарядом, кото­

 

рый приобретает атом при присоединении того количества электронов,

 

которое необходимо для образования устойчивой восьмиэлектронной

 

оболочки (ns 2np6).

 

 

Данные элементы находятся соответственно в главных подгруппах V,

s2p3,

VI, VII групп и имеют структуру внешнего энергетического уровня

s2p4 ,s2p5. Следовательно, степени окисления мышьяка, селена, брома в со­

 

единениях таковы:

 

 

As +5 (высшая), -3 (низшая); AS2O5, AsH 3;

 

Se +6 (высшая), -2 (низшая); SеОз, Na

2Se;

 

Br +7 (высшая), -1 (низшая); КВrO

4, КВr.

 

Пример 3. У какого из элементов четвертого периода - марганца или брома - сильнее выражены металлические свойства?

Решение.Электронные формулы данных элементов:

Марганец - d-элемент VII группы побочной подгруппы, а бром - p-элемент VII группы главной подгруппы. На внешнем энергетическом уровне у атома марганца два электрона, а у атома брома - семь.

Атомы типичных металлов характеризуются наличием небольшого числа электронов на внешнем энергетическом уровне, а следовательно, тенденцией терять эти электроны. Они обладают только восстановитель­ ными свойствами и не образуют отрицательных ионов. Элементы, атомы которых на внешнем энергетическом уровне содержат более трех элек­ тронов, обладают определенным сродством к электрону, а следовательно, приобретают отрицательную степень окисления и образуют отрицатель­ ные ионы. Таким образом, марганец, как и все металлы, обладает только восстановительными свойствами, тогда как для брома, проявляющего сла­ бые восстановительные свойства более свойственны окислительные

44

45

 

функции. Следовательно, металлические свойства более выражены у мар­ ганца.

Пример 4: Опишите химические свойства элемента с порядковым но­ мером 23 по его положению в периодической системе.

Решение.По периодической системе определяем, что элемент с по­ рядковым номером 23 находится в четвертом периоде и в побочной под­

группе V группы. Этот элемент - ванадий V. Электронная формула V: ls22s22p63s23p64s23d3.

Следовательно, V - d-элемент. Элемент может легко отдавать 2 элек­ трона с 4-го уровня, проявляя степень окисления +2. При этом он образует оксид V0 и гидроксид V(OH) 2, проявляющие основные свойства. Газооб­ разных водородных соединений ванадий не образует, так как расположен в побочной подгруппе. Атом ванадия может также отдавать электроны с d-подуровня предпоследнего энергетического уровня (3 электрона) и, та­ ким образом, проявлять высшую степень окисления +5 (численно равную номеру группы, в которой расположен элемент). Оксид, соответствующий высшей степени окисления, V 205. Этот оксид обладает кислотными свой­ ствами. В качестве гидроксида ему соответствует неустойчивая метаванадиевая кислота HV0 3 (соли ее - ванадаты - устойчивые соединения).

Задания для самостоятельной работы

76. Как изменяются кислотно-основные свойства соединений в пе­ риодах и группах? Исходя из положения элемента в периодической таб­ лице дайте мотивированный ответ на вопрос: какое из каждой пары со­

единений является более сильной кислотой: НСlO 4 или H2SO4; Н3РО4или H 3As04; НС1 или HI? Приведите пример реакций, подтверждающих ки­ слотные свойства Н3РО4.

77. Исходя из положения калия и фосфора в периодической таблице, составьте формулы оксидов, мета- и ортофосфорной кислот, дигидрофосфата калия. Изобразите графические формулы этих соединений. Одинако­ выми ли свойствами характеризуются оксиды этих элементов? Приведите примеры реакций, подтверждающие свойства оксидов этих элементов.

78.Дайте определение энергии ионизации атома. В каких едини­ цах она измеряется? Как изменяется эта величина в периодах и груп­ пах? Почему? Как можно объяснить тот факт, что энергия ионизации

убериллия больше, чем у бора?

79.Составьте формулы оксидов и гидроксидов элементов третьего периода периодической таблицы, отвечающих их высшей степени окисле­ ния. Как изменяется химический характер этих соединений при переходе от натрия к хлору? Приведите примеры реакций, подтверждающих свой­ ства оксида алюминия.

80.Какую низшую степень окисления проявляют хлор, сера и азот? Почему? Составьте формулы соединений алюминия с данными элемента­ ми в этой степени окисления. Дайте название этих соединений.

81.Как изменяются кислотно-основные свойства соединений в пе­ риодах и группах? Исходя из положения металла в периодической табли­ це дайте мотивированный ответ на вопрос: какое из каждой пары гидро­

ксидов более сильное основание: Ве(ОН) 2 или Mg(OH) 2; Са(ОН) 2 или Fe(OH) 2; Cd(OH) 2 или Sr(OH) 2? Какими свойствами характеризуется Ве(ОН) 2? Приведите примеры реакций.

82.Что понимают под возбужденным состоянием атома? Напишите электронные формулы атома фосфора, находящегося в нормальном и воз­ бужденном состояниях. Представьте графические электронные формулы для этих двух состояний. Какие валентности и степени окисления может проявлять фосфор в этих состояниях? Приведите примеры соединений фосфора, в которых он находится в нормальном и возбужденном состоя­ ниях.

83.Что характеризует относительная электроотрицательность эле­ мента? Исходя из величин электроотрицательности, укажите, как в приве­ денном ряду F, Cl, Br, I изменяется способность атомов принимать элек­ троны? Какой галоген будет: а) более сильным окислителем, б) более сильным восстановителем? Закончите уравнение реакции

С12 + Вr 2 + Н 2 0= ...

84. Из двух элементов один образует ион Э 3+, а другой - Э 3- . Оба иона имеют одинаковую электронную конфигурацию, которая выражается

46

47

формулой: Определите период, группу, подгруппу и порядковый номер каждого элемента.

85.Какая пара в каждой из указанных ниже совокупностей элементов обладает наиболее сходными химическими и физическими свойствами?

а) Са; Р; Si; I; Sr; Ag; Ni; б) Na; Mo; As; Br; Sb; N.

Ответ поясните на основании электронного строения атомов.

86.Какие закономерности наблюдаются в изменении атомных радиу­ сов в периодах и группах? Почему? Напишите электронную формулу эле­ мента пятого периода с самым большим и самым маленьким радиусами.

Что является более сильным восстановителем: Сl

- или I - ; более сильным

окислителем: С1 2 или I 2? Почему?

 

87.На каком основании хром и сера расположены в одной группе пе­ риодической системы? Почему их помещают в разных подгруппах? Ответ поясните на основании электронного строения атомов. Одинаковые ли свойства проявляют хром и сера? С кислотой или щелочью будут реаги­ ровать эти вещества?

88.Напишите электронную конфигурацию атома олова. Назовите элементы, являющиеся электронными аналогами этого элемента. Как изменяются свойства электронных аналогов (энергия ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность) с увеличени­ ем номера периода? Обоснуйте ответ с позиции теории строения атома.

89.Дайте определение энергии ионизации атома. В каких единицах она измеряется? Энергии ионизации атомов благородных газов со­ ставляют (в эВ): Не - 24,6; Ne - 21,6; Аr - 15,8; Кr - 14,0; Хе - 12,1;

Rn - 10,8. Объясните ход изменения энергии ионизации в этой под­ группе.

90.Значения первых потенциалов ионизации элементов I группы периодической системы элементов соответственно равны (в эВ):

Li - 5,4; Cs - 3,9; Сu - 7,7; Ag - 9,2. Укажите, у элементов какой под­ группы I группы металлические свойства выражены более резко?

48

Почему? Чем объяснить различный ход изменения значений потен­

 

 

циалов ионизации в подгруппах?

 

 

 

 

 

91. Из элементов: F; Кr; Са; Cs; W; Sb; S; Sn выберите такой, кото­

 

 

рый: а) должен образовывать ион с зарядом -2; б) иметь наименьшую ре­

 

 

акционную способность; в) должен образовывать ион с зарядом +1;

 

 

г) является амфотерным элементом. Составьте электронные формулы этих

 

элементов. Подтвердите реакциями амфотерные свойства выбранного

 

 

элемента.

 

 

 

 

 

 

 

 

92. Что такое энергия ионизации? Как изменяется с ростом по­

 

 

 

рядкового номера значение первого потенциала ионизации у элемен­

 

 

тов второго периода и второй группы? Чем объяснить, что первый

 

 

 

потенциал ионизации атома Be больше, чем атомов Li и В?

 

 

 

93. Как изменяются окислительные свойства у элементов: а) одной

 

 

группы, б) одного периода? Почему? У какого атома окислительные

 

 

свойства выражены сильнее: a) 2s2 4 ; б)

5s2 4 ; в) 2s2 5 ; г)

5s2 5 ? От­

вет поясните. Приведите пример реакции, в которой атомы этого элемен­

 

 

та проявляют окислительные свойства?

 

 

 

 

 

94. Как изменяются восстановительные свойства у элементов: а) од­

 

 

ной группы, б) одного периода? Почему? У какого иона восстановитель­

 

 

ные свойства выражены сильнее: a)

[...2s

22p6]- ; б)

[..3s

23p6]

- ;

2 6 -

; г) [...5s

2 6 -

? Ответ поясните. Приведите пример реакции,

 

в) [..4s 4p ]

5p ]

 

вкоторой атомы этого элемента проявляют восстановительные свойства.

95.Какой высший оксид и гидроксид образуют химические эле­ менты с порядковыми номерами 31, 53? Почему? Какие свойства бу­ дут проявлять эти соединения? Приведите примеры реакций.

96.Какой элемент пятого периода периодической системы

Д. И. Менделеева является наиболее типичным неметаллом, а какой - наиболее типичным металлом? Почему? Составьте электронные формулы этих элементов. Приведите примеры реакций, подтвер­ ждающих свойства этих элементов.

97. Конфигурация валентных электронов в атомах двух элемен-

тов выражается формулами: a) 3s 2 Зр 2 и 4s 2 3d2 ; б) 4s 2 3d 3 и 4s 2 3 . В каких периодах и группах находятся эти элементы? Должны ли они

49

отличаться по своим свойствам, имея одинаковое число валентных электронов?

98. Какой из двух оксидов обладает более выраженным кислот­

ным характером: a) FeO или Fe

203; б) МnО или Мn0

3? Ответ обос­

нуйте. Приведите примеры реакций, подтверждающие свойства ок­

сидов МnО и Мn0 3.

99. Назовите элемент: а) IV периода, который образует высший оксид Э2О7и газообразное соединение с водородом НЭ; б) V периода,

который образует высший оксид Э0

2, газообразное соединение с во­

дородом не образует; в) IV периода, который образует высший оксид

ЭО и газообразное соединение с водородом ЭН

2.

100. У какого из элементов VII группы - хлора или йода - силь­ нее выражены неметаллические свойства? Почему? Какой из них об­ разует более сильную галогеноводородную кислоту? Каковы форму­ лы их высших кислородсодержащих кислот?

5.СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРОВ

Растворомназывается гомогенная система, состоящая из двух или более независимых компонентов, соотношение между которыми может изменяться.

Компонент, количественно преобладающий в системе и не изменяю­ щий своего агрегатного состояния при приготовлении раствора, называет­ ся растворителем.Остальные компоненты, входящие в состав раствора, называются растворенными веществами.Однако это деление носит ус­ ловный характер.

Растворы, которые содержат большое количество растворенного ве­

щества, называют

концентрированными, а с малым содержанием раство­

ренного вещества -

разбавленными.

Концентрированные растворы могут образовывать только хорошо растворимые вещества, а разбавленные растворы - вещества с любой рас­ творимостью.

Важнейшей характеристикой растворов, влияющей на их свойства, является состав раствора, т. е. содержание растворенного вещества в оп­ ределенной массе или объеме раствора или растворителя. Существуют

различные способы выражения состава растворов. Состав раствора может быть выражен безразмерными (доли, отношения) и размерными величи­ нами (молярная концентрация, массовая концентрация, моляльность, титр и т. д.).

Термин «концентрация» потерял в настоящее время прежнее слиш­ ком широкое значение.

Концентрациейназывают отношение массы или количества веще­ ства к объему системы (раствора).

Рассмотрим некоторые широко распространенные способы выраже­ ния состава растворов.

1. Массовая доля - отношение массы растворенного вещества к массе раствораВыражается. в долях от единицы или процентах.

Для растворов проще измерить объем, а не массу. Массу и объем раствора связывает между собой плотность раствора

Этот способ выражения состава растворов часто используют в быту, на производстве, в медицине.

С изменением содержания растворенного вещества в растворе изме­ няется и плотность раствора. Используя таблицы, для раствора с опреде­ ленной массовой долей можно определить плотность раствора и, наобо­ рот, по плотности можно определить массовую долю вещества в растворе.

2. Молярная доля - отношение количества вещества данного компонента, содержащегося в системе, к общему количеству вещества этой системы.

Если система состоит из двух компонентов - веществ А и В, то мо­ лярная доля веществ А и В будет равна:

50

51

3. Объемная доля - отношение объема данного компонента, со­ держащегося в системе, к объему всей системы.

Массовая доля, молярная доля, объемная доля - относительные

без­

размерные величины.

 

Выражать их можно в долях от единицы или в про­

 

центах.

 

Для раствора, состоящего из двух компонентов А и В, сумма массо­

 

вых, молярных и объемных долей компонентов системы равна единице:

 

4. Молярная концентрация С(Х) -отношение количества вещест­ ва X, содержащегося в растворе, к объему этого раствора. Выражается моль/л или моль/дм3.

Молярная концентрация показывает, какое количество растворенно­ го вещества (число моль) содержится в одном литре данного раствора.

Для более краткого обозначения этой концентрации используют условное обозначение «М».

Например, для раствора с молярной концентрацией карбоната натрия

0,5 моль/л можно сделать запись:

 

5. Молярная концентрация эквивалента

- отношение ко­

личества вещества эквивалента данного вещества X, содержащегося в

растворе, к объему этого раствора.

3

Выражается в моль/л или моль/дм .

52

Молярная концентрация эквивалента вещества X показывает, какое количество вещества эквивалента (число моль эквивалентов данного ве­ щества X) содержится в одном литре раствора.

Для обозначения молярной концентрации эквивалента раньше ис­ пользовали термины «эквивалентная концентрация», «нормальная кон­ центрация» и символы: С н , С э , N или н.

Например, для раствора карбоната натрия с молярной концентрацией эквивалента 0,5 моль/л можно встретить такие формы записи:

6.Моляльность В — отношение количества растворенного вещества

кмассе растворителя.Выражается в моль/кг.

Если массу растворенного вещества и растворителя выражать

в грам­

мах, то выражение моляльности можно записать в виде, более удобном

 

для расчетов:

 

 

Моляльность показывает, какое количество растворенного вещества

приходится на один килограмм растворителя.

 

Например, B(Na

2C03) = 0,5 моль/кг означает, что на 1 кг растворителя

(воды) в данном растворе приходится 0,5 моль карбоната натрия.

 

7. Титр раствора -

масса растворенного вещества, содержащегося

в 1 см 3 или 1мл раствора. Выражается в г/см 3 или г/мл.

 

Различные способы выражения состава раствора связаны между со­ бой. Например, молярная концентрация и молярная концентрация эквива­ лента связаны между собой соотношением:

53

Титр раствора связан с молярной концентрацией и с молярной кон­ центрацией эквивалента:

Для реакций, протекающих в растворах, при проведении вычислений часто используют закон эквивалентов, который в этом случае может быть выражен следующим образом:

т. е. количества вещества эквивалента или число частиц, играющих роль эквивалента, для веществ X и Y, вступающих во взаимодействие, должно быть равно.

По закону эквивалентов объемы реагирующих растворов обратно пропорциональны их молярным концентрациям эквивалентов.

Закон эквивалентов, записанный в таком виде, называют

законом

объемных отношений.

 

Пример 1. Определите молярную концентрацию, молярную концен­ трацию эквивалента, моляльность, молярную долю и титр серной кислоты в растворе с массовой долей соли, равной 40 %. Плотность этого раствора 1,303 г/см 3.

Для определения молярной концен­ трации и молярной концентрации эквива­ лента найдем массу кислоты, которая со­ держится в 1 л данного раствора:

Определим с помощью периодической таблицы молярную массу и молярную массу эквивалента серной кислоты:

Зная массу кислоты в 1 л рассматриваемого раствора, молярную мас­ су и молярную массу эквивалента кислоты H 2S04, вычислим молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалента данного раствора:

Молярная концентрация и молярная концентрация эквивалента связа­ ны между собой соотношением:

Поэтому переход от молярной концентрации к молярной концентра­ ции эквивалента и обратно можно выполнять с учетом этой зависимости, если известна одна из концентраций.

Для серной кислоты число эквивалентности (z*) равно 2, так как серная кислота - двухосновная кислота. Следовательно, если

C(H 2S04) = 5,32 моль/л, то

И, наоборот, если известна молярная концентрация эквивалента рас­ твора, то молярную концентрацию этого раствора можно определить, ис­ пользуя вышеприведенную зависимость:

54

55

Для того чтобы вычислить моляльность раствора H 2S04, необходимо найти массу и количество вещества кислоты, приходящееся на 1 кг рас­ творителя (воды). Из условий задачи следует, что для 40 %-ного раствора в каждых 100 г раствора содержится 40 г серной кислоты и 60 г воды. Следовательно, чтобы найти массу соли, приходящейся на 1 кг воды, можно составить пропорцию:

1000:60 = х:40 (масса кислоты, приходящаяся

на 1000 г или 1 кг растворителя)

Моляльность раствора можно вычислить и по формуле

Если взять 1 л раствора серной кислоты, то масса кислоты и раство­ рителя может быть определена таким образом:

Для раствора с массовой долей, равной 40 %, независимо от того, ка­ кой объем раствора был взят соотношение между H2SO4 и водой будет 40 : 60, поэтому моляльность можно вычислить и таким образом:

Для определения молярной доли серной кислоты в 40 %-ном раство­ ре, возьмем 100 г раствора данной кислоты, в котором на 40 г кислоты приходится 60 г воды:

Титр раствора показывает массу растворенного вещества, содержаще­ гося в 1 см 3 или 1 мл раствора. В данном случае в 1 л раствора содержится 521,2 г кислоты, следовательно, титр раствора будет равен:

Ответ:

Пример 2. Какой объем раствора азотной кислоты с массовой долей 50% необходимо взять для приготовления 500 мл раствора с массовой долей 14 %

По условию задачи из более концентри­ рованного раствора необходимо приготовить менее концентрированный раствор. В этом случае расчет проще всего вести с учетом то­ го, что масса азотной кислоты в исходном рас­ творе и полученном растворе должна быть одинакова:

Выразим массу растворенного вещества исходя из определения и вы­ ражения массовой доли вещества в растворе:

56

57

Следовательно, для вышеприведенного равенства (*), мы можем за­ писать:

Ответ:115,2 мл.

V

Пример 3. Какой объем раствора серной кислоты с массовой долей надо взять для приготовления 2 л раствора с моляр-

ной концентрацией эквивалента кислоты 0,5 моль/л?

По условию задачи из более концен­ трированного раствора H 2S04, для которого указана массовая доля кислоты в растворе, необходимо приготовить менее концентри­ рованный раствор, с заданной молярной концентрацией эквивалента.

Вэтом случае расчет проще всего вести с учетом того, что масса соли

висходном растворе и полученном растворе должна быть одинакова:

Выразим массу растворенного вещества исходя из определения и вы­ ражения массовой доли вещества в растворе (ml) и молярной концентра­ ции эквивалента (m 2):

Предварительно вычислим молярную массу эквивалента серной ки­ слоты:

Подставим значения ml и m 2 в равенство (*) и выразим V1(раствора):

Ответ:215,1 мл.

Пример 4. Какой объем раствора гидроксида натрия с молярной кон­ центрацией 0,25 моль/л необходимо взять, чтобы осадить в виде Fe(OH) 3 все железо, содержащееся в 300 мл раствора хлорида железа(III) с моляр­

ной концентрацией эквивалента 1,5 моль/л? Какова масса выпавшего осадка?

Если в задаче речь идет о взаимодействии веществ, то вычисления можно вести:

а) по закону эквивалентов, б) по уравнению реакции.

А) Первый способ (по закону эквивалентов).

Очень широко этот способ решения задач применяется в аналитиче­ ской химии. Этот метод не требует составления уравнений реакций, про­ текающих в системах, но для лучшего понимания сути задачи необходимо представлять, какие процессы протекают при взаимодействии реагирую­

щих веществ. По закону эквивалентов - количество вещества эквивален­ та для всех веществ, участвующих в реакции, должно быть равно.

В растворе протекает реакция:

58

59