Лабораторная работа 3 растворы. Свойства растворов

Раствор – гомогенная система, состоящая из двух или нескольких веществ (компонентов), причем одно вещество (растворенное вещество) равномерно распределено в виде молекул, атомов или ионов в другом – растворителе.

Растворителем обычно считают вещество, агрегатное состояние которого совпадает с таковым для раствора. Если агрегатные состояния всех компонентов одинаковы, то растворитель – то вещество, которого больше. Исключение – вода, которую всегда считают растворителем.

Растворение сопровождается выделением теплоты (∆Н<0) или поглощением теплоты (∆H>0) и часто изменением объема, что наряду с некоторыми другими явлениями указывает на химическое взаимодействие растворенного вещества и растворителя. Д.И. Менделееев создал гидратную теорию, согласно которой растворение является физико-химическим процессом.

При растворении частицы растворяемого вещества образуют с молекулами растворителя сравнительно нестойкие соединения переменного состава – сольваты. Если растворитель вода, то они называются гидратами. Сольваты образуются тем легче, чем полярнее молекулы растворителя и растворенного вещества. Иногда молекулы воды так прочно связаны с частицами растворенного вещества, что при выделении последнего из раствора в виде кристаллов образуются кристаллогидраты; вода, входящая в их состав, называется кристаллизационной.

При растворении вещества протекают следующие процессы: связи между частицами в растворяемом веществе и в растворителе разрушаются, что связано с поглощением теплоты; одновременно происходит образование сольватов, сопровождающееся выделением теплоты, а затем идет распределение частиц растворенного вещества в растворителе, что связано с поглощением теплоты. Общий тепловой эффект может быть положительным или отрицательным в зависимости от величин тепловых эффектов трех процессов.

Зная теплоту растворения безводной соли ∆H₁ и ее кристаллогидрата ∆H₂ можно вычислить теплоту гидратации:

∆H₃ = ∆H₂ - ∆H₁

Растворы бывают насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные. Насыщенными называются растворы, в которых нерастворенное вещество (в осадке) находится в равновесии с растворенным. Растворимость – масса вещества в граммах, насыщающего 100 г растворителя (или 1000 мл растворителя) при данной температуре.

Раствор, концентрация которого меньше концентрации насыщенного при той же температуре раствора, называют ненасыщенным.

Раствор, концентрация которого больше концентрации насыщенного при той же температуре раствора, называют пересыщенным.

Раствор, содержащий много растворенного вещества, называется концентрированным, а содержащий мало растворенного вещества – разбавленным.

Так как при растворении большинства твердых веществ теплота поглощается, то в соответствии с принципом Ле Шателье при повышении температуры растворимость их увеличивается.

Некоторые жидкости смешиваются друг с другом в любых соотношениях, другие практически нерастворимы друг в друге. Большинство жидкостей имеет ограниченную взаимную растворимость. При повышении температуры растворимость жидкостей в одних случаях увеличивается, в других уменьшается.

Большая часть газов лучше растворяется в менее полярных растворителях, чем в воде. Растворимость газов в воде уменьшается при нагревании и понижении давления.

Способы выражения состава растворов

Для количественного выражения состава раствора в химии чаще всего применяют следующие физические величины: массовую ω (%) и молярную долю N вещества в растворе, молярную концентра­цию с_м, нормальную концентрацию с_н, титр Т и моляльность с_Мл раствора. Состав раствора можно также выразить через его плот­ность ρ.

1. Массовая доля вещества в растворе w (%) показывает, сколько процентов масса растворенного вещества составляет от массы раствора:

где m₁— масса растворенного вещества,

т₂ — масса раствора.

2. Молярная доля N — отношение количества растворенного веще­ства n₁ или растворителя n₂ к сумме количеств всех веществ, составляющих раствор. Если одно вещество растворено в другом, то молярная доля растворенного вещества:

а молярная доля растворителя

3. Выражение состава раствора через его плотность ρ основано на том, что с изменением содержания растворенного вещества в данной массе или объеме раствора плотность также изме­няется.

Для быстрого, но приближенного определения плотности жид­кости служит ареометр. Он представляет собой поплавок с дробью или ртутью и узким отростком — трубкой, в которой на­ходится шкала с делениями. Ареометр погружается в различных жидкостях на различную глубину. При этом он вытесняет объемы этих жидкостей одной и той же массы, равной массе ареометра, а, следовательно, обратно пропорциональные их плотности.

То деление шкалы, до которого ареометр погружается в жид­кость, показывает плотность этой жидкости. В зависимости от за­данной точности применяют или один ареометр с большими интер­валами на шкале, или набор нескольких ареометров с мелкими делениями.

Ареометры, применяемые для определения плотности жидкостей тяжелее воды, имеют нуль вверху шкалы, а для жидкостей легче воды — внизу шкалы.

От плотности раствора можно перейти к его составу, пользу­ясь специальными таблицами. Если в таблицах нет величины, точно отвечающей сделанному отсчету на шкале арео­метра, а есть близкие величины (немного больше или немного мень­ше), то ω (%) вычисляют методом интерполяции (определение промежуточной величины по двум известным крайним).

Предположим, что для раствора серной кислоты экспериментально определена плотность 1,200 г/см³. По таблице зависимости плотности раствора серной кислоты от его w находим, что плотности 1,174 и 1,205 г/см³ соответст­вуют 24%-ному и 28%-ному растворам. Считаем, что в этих интервалах w (%) изменяется прямо пропор­ционально изменению плотности раствора. Увеличение плотности на (1,205—1,174) = 0,031 г/см³ соответст­вует изменению ω (%) на (28 —24) = 04%. Разница между плотностью данного раствора и меньшей таб­личной величиной составляет 1,200—1,174 = 0,026 г/см³. На основании пропорции

находим х = 3,35%.

Таким образом, ω (%) заданного раствора составляет 24% + 3,35% =27,35%.

Плотность не всегда изменяется прямо пропорционально изме­нению состава раствора. Поэтому приведенный расчет дает резуль­тат лишь приблизительный, но для практических целей достаточно точный.

4. Моляльную концентрацию раствора (с_Мл) выражают числом молей растворен­ного вещества, приходящихся на 1000 г растворителя, т. е. количеством вещества п на 1000 г растворителя:

, или , или ,

где m₁ — масса растворителя, г;

m₂ — масса раствора, г;

m₃ — масса растворенного вещества, г;

п — количество вещества растворенного, моль;

М — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Растворы, для которых с_Мл = 1; 2; 0,1; 0,01 моль/1000 г назы­ваются соответственно одно-, двух-, деци- и сантимоляльными.

5. Молярную концентрацию с_м выражают числом молей раство­ренного вещества в 1 л раствора.

Раствор, в 1 л которого содержится 1 моль растворенного вещества, называют одномолярным или молярным и обознача­ют 1 М. Если в 1 л раствора содержится 0,1 моль растворенно­го вещества, то его называют децимолярным и обозначают 0,1 М и т. д.

,

где n — количество растворенного вещества, моль, или

,

где m — масса растворенного вещества, г; М — его молярная масса, г/моль; V — объем раствора, л.

6. Нормальную концентрацию раствора (С_н.) выражают числом молей-эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора.

Раствор, в 1 л которого содержится один моль-эквивалент растворенного вещества, называют однонормальным или нормаль­ным и обозначают 1 н. Растворы, в 1 л которых содержится 0,1; 0,01 и 0,001 моль-эквивалентов, называют соответственно деци-нормальным (0,1 н.), сантинормальным (0,01 н.) и миллинормальным (0,001 н.).

, или ,

где m — масса растворенного вещества, г ;

М_э — его молярная масса эквивалента, г/моль-экв;

n_э — число моль-эквивалентов растворенного вещества, моль-экв;

V — объем раствора, л.

Сравнение формул для определения молярной и нормальной концентраций

, и

показывает, что в случае, когда молярная масса вещества численно равна его молярной массе эквивалента, молярная и нормальная концентрации раствора имеют одну и ту же величину. Это относится, например, к растворам одноосновных кислот (HCI, HNO₃ и т. д.), однокислотных оснований (NaOH, КОН и т. д.), солей, катион и анион которых однозаряд­ные (КС1, NaNO₂ и т. д.). Следовательно, если мы имеем для таких веществ, например, 1 М, 0,1 М и 0,5 М растворы, то можно сказать, что нормальные концентрации этих растворов, соответственно, 1н., 0,1н. и 0,5н.

Если же молярная масса вещества численно не равна его молярной массе эквивалента, то молярная концентрация его раствора во столько раз меньше нормальной, во сколько раз М_э этого вещества меньше его М. Например, одномолярный раствор H₂SO₄ (Э = 1/2 моль) является двунормальным, а 0,5 М раствор А1С1₃ (Э = 1/3 моль) является 1,5 н.; 2 н. раствор Ca(NО₃)₂ (Э=1/2 моль) является одномолярным.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Оборудование и материалы: весы, плитка электрическая, мерные цилиндры, шпатель, штатив с пробирками, стаканы стеклянные, стеклянная палочка,воронки, чашка фарфоровая, набор ареометров, термометр

Реактивы: нитрат аммония, гидроксид натрия, спирт этиловый,бензол, йод крист., нитрат калия, нитрат натрия, ацетат натрия, медный купорос, хлорид натрия, серная кислота конц., вода дист.

А. Растворение веществ. Свойства растворов

Цель работы: изучить явления при растворении веществ и некоторые свойства растворов.

Ход работы

1. Явления, наблюдаемые при растворении веществ

Опыт 1. Изменение температуры

В две пробирки налить (до 1/3) воды и измерить ее температуру. В первую пробирку всыпать 2-3 г нитрата аммония, осторожно перемешать термометром и отметить самую низкую температуру. Во вторую пробирку внести несколько кусочков гидроксида натрия и после перемешивания отметить самую высокую температуру. При растворении какого вещества теплота выделяется, а какого поглощается? Объяснить происходящие явления.

Опыт 2. Изменение объема

В пробирку налить (до 1/3) воды и осторожно добавить равный объем спирта. Положение верхнего уровня отметить стеклографом. Закрыть пробирку пробкой и хорошо перемешать. После охлаждения отметить уровень раствора. Объяснить происходящие явления.