Лабораторная работа № 7 растворы. Растворимость. Определение концентрации вещества.

Растворы – гомогенные системы переменного состава, находящиеся в состоянии химического равновесия.

Под растворимостью понимается способность одного вещества растворяться в другом веществе с образованием гомогенной системы. Мерой растворимости вещества при данных условиях служит концентрация его насыщенного раствора.

Растворимость характеризуется коэффициентом растворимости (s) – массой вещества (г), растворяющегося в 100 г растворителя (для водных растворах в 100 г воды).

Многие свойства растворов зависят от их концентрации (содержание вещества в растворе, отнесенное к массе или объему растворителя или раствора, называют концентрацией раствора).

Рассмотрим наиболее употребляемые способы выражения концентрации раствора.

Массовая доля ω(X) – это отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора.

Массовую долю обычно выражают в долях от единицы:

или в процентах:

^. 100%

где ω – массовая доля растворенного вещества; m(X) - масса растворенного вещества; m_р-ра – общая масса раствора.

Молярная концентрация c(X) – отношение количества вещества n (моль), содержащееся в растворе, к объему этого раствора V (л).

(моль/л)

Для обозначения молярной концентрации часто используют символ “M”.

Молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) с( X), с_экв – отношение количества вещества эквивалента (моль), содержащегося в растворе, к объему этого раствора (в литрах).

(моль/л)

где f –фактор эквивалентности вещества, равный , V– объем раствора.

Моляльная концентрация с_m(X) – отношение количества растворенного вещества Х (моль) к массе растворителя (в кг)

(моль/кг)

Моляльная концентрация раствора не зависит от температуры, поскольку для определения моляльности не привлекается объем.

Опыт 1. Определение растворимости нитрата калия

Внесите в колбу 10-12 г растертого в ступке нитрата калия и растворите его при нагревании в 25 мл дистиллированной воды, постоянно взбалтывая содержимое колбы.

Охладите колбу струей водопроводной воды. Образовавшийся осадок отфильтруйте. Измерьте температуру фильтрата (насыщенного раствора нитрата калия), полученные данные запишите в лабораторную тетрадь, как =

Взвесьте сухую фарфоровую чашку вместе с воронкой (масса а в таблице 1). Перелейте фильтрат в чашку и, накрыв ее воронкой, снова взвесьте (масса б в таблице 1).

Поставьте чашку на асбестированную сетку и осторожно нагревайте, пока вся вода не испариться и воронка не станет сухой. Охладите. Чашку с сухой солью и воронкой взвесьте (масса в в таблице 1).

Данные опыта запишите по форме:

Таблица 1

Масса пустой фарфоро-вой чашки с ворон-кой, г	Масса фарфоровой чашки с во- ронкой и насыщенным раствором, г	Масса фар-форовой чашки с во- ронкой и сухой солью, г	Масса насыщен- ного раст- вора, г	Масса воды, содержа- щейся в растворе, г
а	б	в	б-а	б-в

Из данных опыта определите растворимость нитрата калия в граммах на 100 г воды при измеренной температуре.

Для определения ошибки эксперимента постройте кривую растворимости нитрата калия в зависимости от температуры на основании таблицы 2.

Найдите ошибку опыта, сравнив полученные результаты с табличными данными.

Таблица 2

Растворимость нитрата калия в 100 г воды

Температура, toC	Растворимость, г
0	13,3
10	20,9
20	31,6
30	45,8
40	68,9
50	85,9

Опыт 2. Приготовление раствора заданной концентрации из твердого вещества и воды

Требуется приготовить 250 мл 4% раствора безводной соли из кристаллогидрата (по указанию преподавателя). В качестве кристаллогидрата могут быть взяты CuSO₄ ^. 5H₂O, BaCl₂ ^. 2H₂O, MgSO₄ ^. 7H₂O, NiSO₄ ^. 7H₂O по указанию преподавателя. Сначала определите по справочнику плотность 4% раствора соли и рассчитайте массу соответствующего кристаллогидрата, которую нужно растворить в воде, чтобы приготовить раствор указанной концентрации.

Рассчитанное количество кристаллогидрата взвесьте на весах, высыпьте в стакан и растворите при помешивании в небольшом количестве воды (~125 мл).

После растворения соли полученный раствор перелейте в мерный цилиндр (на 250 -500 мл). Добавьте воды до метки 250 мл. Перемешайте раствор и определите его плотность с помощью ареометра.

Ареометр - стеклянный поплавок, в верхней части которого имеется шкала с делениями, указывающая плотность. Чем меньше плотность раствора, тем глубже погружается в него ареометр. Каждый ареометр предназначен для жидкостей, плотность которых лежит в определенных пределах. Поэтому при выборе ареометра необходимо хотя бы ориентировочно знать плотность данного раствора.

Сравните измеренную плотность полученного раствора с данными справочника. Если в справочнике нет данных, отвечающих определенной ареометром плотности, то их находят методом линейно-кусочной интерполяции (определением промежуточной величины по двум известным крайним).

Для полученного раствора с определенной массовой долей определите молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалента этого раствора.

Опыт 3. Приготовление раствора соляной кислоты и определение его концентрации

Минеральные кислоты нельзя отвешивать или отмеривать в безводном состоянии, поэтому для приготовления раствора точной концентрации разбавляют водой имеющиеся в лаборатории более концентрированные растворы этих кислот, а затем определяют их молярную концентрацию эквивалента титрованием щелочью, концентрация которой известна.

С помощью набора ареометров определите плотность концентрированной соляной кислоты, имеющейся в лаборатории. Используя справочные данные, определите ее концентрацию (массовую долю).

Рассчитайте объем имеющейся соляной кислоты необходимый для приготовления 250 мл раствора с молярной концентрацией эквивалента, равной 0,1 моль/л.

Найденный объем кислоты отмерьте мерным цилиндром, перелейте в мерную колбу емкостью 250 мл, наполовину заполните колбу водой и перемешайте полученный раствор. После этого аккуратно дополните колбу водой до метки (кольцевой черты).

Приготовленный раствор тщательно перемешайте многократным перевертыванием мерной колбы, чтобы получить одинаковую концентрацию во всем объеме. Полученный раствор не может считаться точно отвечающим заданной концентрации, т.к. при определении плотности ареометром неизбежны ошибки. Кроме того, отмеривание кислоты для разбавления производилось мерным цилиндром, т.е. весьма грубо. Поэтому точную концентрацию приготовленного раствора устанавливают при помощи раствора щелочи, точно известной концентрации.

Определение молярной концентрации эквивалента приготовленного раствора соляной кислоты

Тщательно вымытую бюретку ополоснуть 1-2 раза приготовленным раствором соляной кислоты и наполнить ее этой кислотой до нулевой черты. Проследите за тем, чтобы кончик бюретки был заполнен раствором.

Перед отбором проб для титрования необходимо ополоснуть пипетку раствором щелочи с молярной концентрацией эквивалента, равной 0,1 моль/л. Для этого наберите раствор щелочи примерно до 0,5 объема пипетки и, ополоснув ее, вылить жидкость в раковину. После этого перенесите в коническую колбу с помощью пипетки 10-25 мл раствора щелочи (в зависимости от емкости пипетки).

В коническую колбу со щелочью добавьте 5-6 капель метилоранжа, разбавьте примерно в 2 раза водой и поставьте ее под бюретку на лист белой бумаги. Нажимая правой рукой на резиновую трубку со стеклянной бусинкой, приливайте из бюретки раствор кислоты небольшими порциями при постоянном перемешивании жидкости, а под конец титрования – по каплям.

Так как в конце титрования, когда к щелочи прилито почти эквивалентное количество кислоты, изменение окраски индикатора происходит постепенно, обычно работают с так называемым “свидетелем”. Для его приготовления в коническую колбу (примерно той же емкостью, что и колба с раствором щелочи) налейте ~50 мл дистиллированной воды и столько же капель метилоранжа, сколько их было прибавлено в раствор щелочи.

Конец титрования определяют по изменению окраски индикатора в растворе щелочи, сравнивая его со “свидетелем”. Появление первого розового оттенка указывает, что титрование окончено.

Титрование повторите 2-3 раза, пока объемы приливаемого раствора кислоты совпадут или будут отличаться друг от друга не более чем на 0,1 мл.

Данные опыта запишите по форме:

Таблица 3

Титрование	Объем, взято- го раствора щелочи, мл	Объем раст- вора кислоты, израсходован- ный на титро- вание, мл	Среднее значение объема кислоты, мл
Опыт 1
Опыт 2
Опыт 3

Из полученных данных возьмите среднее и, зная объем титруемой щелочи и значение ее молярной концентрации эквивалента, определите концентрацию приготовленного раствора соляной кислоты по формуле V₁N₁ = V₂N₂, где V₁ и N₁ – объем и молярная концентрация эквивалента титруемого раствора щелочи; V₂ - рассчитанный средний объем раствора соляной кислоты, который потребовался для титрования, N₂ – молярная концентрация эквивалента приготовленного раствора соляной кислоты.

Контрольные вопросы и задачи

1. Для очистки методом перекристаллизации калийная селитра взята массой 500 г и растворена при нагревании в воде массой 600 г. Полученный раствор охлажден до 0^оС. Какую массовую долю составят при этом неизбежные потери и выход чистой соли.

Решение:

В таблице растворимостей находим, что растворимость KNO₃ при 0^оС равна 17 г на 100 г воды. Таким образом, после кристаллизации в растворе остается соль массой 17 х 6 = 102г.

Масса очищенной соли (выход) равна разности

500-102=398 г, что составляет =79,6% от массы селитры, взятой для очистки. Неизбежные потери за счет растворимости KNO₃ при 0^о составляет =20,4%

2. Чему равна массовая доля H₂S в насыщенном растворе, полученном при 20^оС и давлении 1,013^.10⁵ Па растворением H₂S объемом 2,91 л в воде объемом 1 л?

Решение:

Найдем объем, занимаемый H₂S при н.у., для этого воспользуемся объединенным газовым законом , учитывая, что Р=Р_о. , а

Масса полученного раствора m(H₂O) + m(H₂S)=1000+4,11=1004,11 г, массовая доля H₂S в этом растворе составляет ω= = или 0,4%

3. Какой массы медный купорос CuSO₄ ^. 5H₂O надо добавить к раствору объемом 0,5 л, в котором массовая доля CuSO₄ составляет 4% (ρ=1,040 г/мл), для того, чтобы увеличить ее до 16%?

Решение:

Масса раствора CuSO₄ объемом 500 мл составляет

m_р-ра= V^. ρ= 500 ^. 1,040 = 520 г

m(CuSO₄)=ω^. m_р-ра= 520 ^. 0,04=20,7 г

Обозначим массу добавленного в раствор медного купороса CuSO₄ ^. 5H₂O через х, тогда масса полученного раствора составит (520 + х) г, а масса содержащегося в нем сульфата меди CuSO₄ будет равна (20,8 + 0,64х) г. Величина 0,64 показывает массовую долю сульфата меди в кристаллогидрате и определяется отношением молярной массы безводного сульфата меди к молярной массе медного купороса.

Поскольку надо приготовить раствор, в котором массовая доля CuSO₄ должна быть равна 16%, то решаем следующее уравнение

Отсюда х=130 г

3. Какой объем раствора, для которого ω(H₂SO₄)=80% и ρ=1,732 г/мл, потребуется для приготовления раствора молярной концентрации эквивалента 0,5 моль/л объемом 250 мл?

Решение:

Согласно определению молярной концентрации эквивалента =

Отсюда масса H₂SO₄ в растворе, который требуется приготовить, будет равна )=

Такая же масса серной кислоты должна содержаться и в исходном растворе. По определению массовой доли , следовательно , а его объем равен =

3. Какая масса кристаллогидрата CaCl₂ ^. 6H₂O потребуется для приготовления раствора массой 1750 г, если его моляльность должна быть равна 0,2 моль/кг?

Решение:

Масса CaCl₂ ^. 6H₂O количеством 0,2 моль равна

219 ^. 0,2=43,8 г. такая масса кристаллогидрата должна содержаться в 1000 г растворителя (воды), в этом случае масса раствора будет равна 1000+ 43,8 = 1043,8 г.

Масса CaCl₂ ^. 6H₂O в 1750 г раствора заданной моляльности, составит:

m (раствора) ---------------------m (CaCl₂ ^. 6H₂O)

1043,8 г 43,8 г

1750 г х г

Отсюда

3. Для перехода от концентрации, выраженной массовыми долями растворенного вещества, к молярной концентрации веществ или молярной концентрации эквивалента вещества требуется знание плотности раствора, которая может быть найдена из справочных данных.

Чему равна молярная концентрация и молярная концентрация эквивалента раствора BaCl₂ c массовой долей 10% и ρ=1,090 г/мл?

Решение:

Пусть масса данного раствора соли равна 100 г, тогда m(BaCl₂) в этом растворе будет равна 10 г.

V_р-ра=

По определению молярной концентрации , следовательно

По определению молярной концентрации эквивалента

, следовательно

)=

7. Для перекристаллизации был взят медный купорос массой 1 кг, в котором массовая доля примесей составляет 2%. Какой выход чистого кристаллогидрата должен быть получен при охлаждении до 10^оС раствора, насыщенного при 100^оС? Коэффициент растворимости CuSO₄ при указанных температурах: 16 и 72 г.

Ответ: 762,5 г.

8. Коэффициент растворимости KNO₃ при 0^оС и 75^оС соответственно равен 13 и 150 г. Какой выход чистой соли можно получить перекристаллизацией загрязненного нитрата массой 1 кг в указанном интервале температуры? Какова массовая доля неизбежных потерь?

Ответ: 913 г; 8,7%

9. Для получения насыщенного при 75^оС раствора NaNO₃ была взята вода объемом 500 мл. Полученный раствор охлажден до 10^оС. Определите выход перекристаллизационной соли, если для нее коэффициент растворимости при указанных температурах соответственно равен 142 и 80 г.

Ответ: 43,6%

10. Сколько граммов раствора азотной кислоты с массовой долей 24% следует добавить к 600 г раствора этой кислоты с массовой долей 48%?

Ответ: 300 г.

11. Какой объем воды нужно добавить к 2 л раствора гидроксида калия (ρ=1,54 г/мл) с массовой долей 50% для приготовления раствора с массовой долей 20%?

Ответ:4,62 л

12. сколько миллилитров раствора серной кислоты (ρ=1,143 г/мл) с массовой долей 20% требуется для приготовления 250 мл 2,1 М раствора?

Ответ:112,5 мл

13. Какую массу кристаллогидрата FeSO₄ ^. 7H₂O и, какой объем воды надо взять для приготовления раствора массой 0,5 кг, для которого ω(FeSO₄)=5%?

Ответ: 45,72 г.

14. Какую массу имеет раствор объемом 1 л, если его ρ=1,22 г/мл , а ω=20%? Какая масса растворенного вещества содержится в этом растворе?

Ответ: 1,220 и 0,224 кг

15. Чему равна молярная концентрация раствора, в котором массовая доля KOH составляет 8%?

Ответ: 1,52 моль/л

16. Какой массы хлорид калия содержится в его растворе молярной концентрации 0,3 моль/л и объемом 400 мл?

Ответ: 7,94 г

17. Серная кислота, какой массы содержится в растворах объемом 250 мл каждый, если в одном из них молярная концентрация раствора равна 0,1 моль/л, а для другого молярная концентрация эквивалента равна 0,1 моль/л?

Ответ: 2,45 и 1,225 г

18. В растворе объемом 250 мл содержится сульфат алюминия 7,5 г. Чему равна молярная концентрация и молярная концентрация эквивалента для этого раствора?

Ответ: 0,088 и 0,528 моль/л.

19. Карбонат натрия, какой массы содержится в растворе объемом 250 мл, для которого молярная крнцентрация эквивалента равна 0,2 моль/л

Ответ: 2,65 г

20. Растворы азотной кислоты и гидроксида натрия объемом 1 л каждый содержат соответственно HNO₃ массой 18,9 г и NaOH массой 3,2 г. Какова молярная концентрация этих растворов, в каком объемном отношении они должны быть смешаны для получения нейтрального раствора?

Ответ: с(HNO₃)=0,3 c(NaOH)=0,08 1:3,75

21. Смешаны два раствора молярной концентрации эквивалента 0,5 и 2 моль/л, взятые объемом соответственно 2 и 0,5 л. Чему равна концентрация полученного раствора, выраженная той же величиной?

Ответ: 0,8 моль/л

22. Как из раствора соды молярной концентрации 2,0 моль/л приготовить раствор, для которого с(1/2 Na₂CO₃) = 0,25 моль/л?

Ответ: Разбавить в 16 раз

23. Чему равна моляльность раствора, приготовленного из глюкозы массой 9 г и воды объемом 500 мл?

Ответ: 0,1 моль/кг

24. Какой массы надо взять сахарозу для приготовления раствора массой 200 г, моляльность которого равна 0,05 моль/кг?

Ответ: 3,36 г

25. Для нейтрализации раствора щелочи объемом 40 мл израсходовано 24 мл серной кислоты молярной концентрации эквивалента 0,5 моль/л. вычислите молярную концентрацию щелочи. Изменится ли объем кислоты при замене серной кислоты на соляную той же концентрации?

Ответ: 0,3 моль/л; нет

26. Oпределите с(HNO₃), если этот раствор объемом 200 мл расходуется на взаимодействие со смесью карбонатов, состоящей из K₂CO₃ массой 4,14 г и Na₂CO₃ массой 2,12 г.

Ответ: 0,5 моль/л