Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Институт транспорта
Кафедра «Общей
и специальной химии»
по дисциплине «Химия»
к лабораторным занятиям по теме
«Растворы. Свойства растворов»
для студентов специальностей
130503 «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ» (НТХ / СТХ),
150202 «Оборудование и технология сварочного производства»
дневной формы обучения
Тюмень 2007
Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета.
Составитель: канд. хим. наук, доцент Обухов В.М.
© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
1.Жидкие растворы.
2.Энтальпия растворения. Кристаллогидраты.
2.Состав растворов. Массовая доля. Объемная доля. Мольная доля.
3.Состав растворов. Концентрация растворов. Способы выражения концентрации растворов.
4.Свойства идеальных растворов. Давление насыщенного пара.
5.Свойства идеальных растворов. Температура кипения и температура замерзания растворов. Закон Рауля. Эбуллиоскопическая и криоскопическая постоянные растворов.
6. Изотонический коэффициент. Неэлектролиты и электролиты. Растворы электролитов.
7.Механизмы диссоциации соединений с ионной и полярной ковалентной связью.
8.Степень диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Константа диссоциации слабых электролитов.
9.Диссоциация кислот, оснований и солей.
10.Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН). Кислая, нейтральная и основная среды. Индикаторы.
Задание № 1
Сколько граммов хлорида никеля (II) нужно взять для приготовления 200 г 15%масс. раствора
Сколько граммов карбоната натрия кристаллического (Na2CO3·10H2O) нужно взять для приготовления 400мл 10%масс. раствора карбоната натрия. (d204 раствора = 1,05 г/мл).
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 1150г раствора 490г серной кислоты (d204 раствора = 1,15 г/мл).
Вычислить молярную концентрацию 70%масс. раствора гидроксида натрия (d204 раствора =1,05 г/мл).
Какую массу воды необходимо добавить к 200мл 30%масс. раствора нитрата никеля (d204 раствора = 1,33 г/мл), чтобы получить 10%масс. раствор.
Найти моляльную концентрацию 15%масс. раствора серной кислоты.
На сколько градусов изменится температура кипения раствора, если в 100 г воды растворить 9 г глюкозы (С6Н12О6).
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) хлороводородная кислота,
б) гидроксид лития,
в) сульфат марганца (II).
Концентрация ионов водорода в растворе равна 10-4 мол/л. Определить водородный показатель раствора. Указать характер среды.
Задание № 2
Сколько граммов карбоната натрия нужно взять для приготовления 50мл 10%масс. раствора (d204 раствора = 1,15 г/мл).
Сколько граммов сульфита натрия кристаллического (Na2SO3·7H2O) нужно взять для приготовления 400г 20%масс. раствора сульфита натрия.
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 1000мл раствора 49г фосфорной кислоты.
Определить массовую долю растворенного вещества в 1,0 молярном растворе азотной кислоты (d204 раствора = 1,03 г/мл).
Из 400г 20%масс. раствора при охлаждении выделилось 50г растворённого вещества. Чему равна массовая доля (%масс.) растворённого вещества в оставшемся растворе.
В 1 кг воды растворено 666г гидроксида калия. Определить моляльную концентрацию раствора.
При какой температуре будет кипеть 50%масс. раствор сахарозы (С22Н22О11).
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) азотная кислота,
б) гидроксид лития,
в) сульфат натрия.
9. Определить концентрацию ионов водорода в растворе, водородный показатель которого равен 5,0. Указать характер среды.
Задание № 3
Сколько граммов сульфата цинка нужно взять для приготовления 2кг 20%масс. раствора.
Сколько граммов сульфата марганца кристаллического (MnSO4·5H2O) нужно взять для приготовления 500мл 15%масс. раствора сульфата марганца. (d204 раствора = 1,08 г/мл).
Определить молярную концентрации раствора, содержащего в 200мл раствора 1,06г карбоната натрия.
Вычислить молярную концентрацию 40%масс. раствора серной кислоты (d204 раствора = 1,6 г/мл).
Смешали 300г 25%масс. раствора и 400г 40%масс. раствора. Определить массовую долю растворённого вещества в полученном растворе.
Найти моляльную концентрацию 40%масс. раствора азотной кислоты.
Сколько граммов метанола (СН4О) надо растворить в 100г воды, чтобы раствор кипел при 102оС.
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) хлорная кислота,
б) гидроксид калия,
в) йодид натрия.
Определить водородный показатель 0,01 молярного раствора хлороводородной кислоты. Указать характер среды.
Задание № 4
Сколько граммов гидроксида натрия нужно взять для приготовления 200мл 5%масс. раствора (d204 раствора = 1,09 г/мл).
Сколько граммов сульфата меди кристаллического (CuSO4·5H2O) нужно взять для приготовления 1кг 5%масс. раствора сульфата меди.
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 50г раствора 2,0г гидроксида натрия (d204 раствора = 1,08 г/мл).
Определить массовую долю 0,2 молярного раствора орто-фосфата калия (d204 раствора = 1,02 г/мл).
Сколько миллилитров 38%масс. раствора хлороводородной кислоты (d204 раствора = 1,19 г/мл) необходимо взять для приготовления 1,0 кг 8%масс. раствора.
В 0,5кг воды растворено 300г карбоната натрия. Определить моляльную концентрацию раствора.
Температура кипения водного раствора сахарозы (С12Н22О11) равна 101,4оС. вычислить массовую долю сахарозы в растворе.
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) орто-борная кислота,
б) гидроксид кальция,
в) силикат натрия.
Определить молярную концентрацию раствора азотной кислоты, водородный показатель которого равен 3,0.
Задание № 5
Сколько граммов сульфита натрия нужно взять для приготовления 100г 50%масс. раствора.
Сколько граммов сульфата натрия кристаллического (Na2SO4 · 10H2O) нужно взять для приготовления 2л 5%масс. раствора сульфата натрия (d204 раствора = 1,08 г/мл).
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 500мл раствора 3,42 г сульфата алюминия.
Вычислить молярную концентрацию 20%масс. раствора фосфорной кислоты (d204 раствора =1,10 г/мл).
Из 700г 60%масс. раствора серной кислоты выпариванием удалили 200г воды. Определить массовую долю растворённого вещества в оставшемся растворе.
Определить моляльную концентрацию 10%масс. раствора хлорида натрия.
При какой температуре будет кипеть 5%масс. водный раствор хлорида натрия, если изотонический коэффициент равен 1,8.
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) бромоводородная кислота,
б) гидроксид кальция,
в) сульфит калия.
Концентрация гидроксид-ионов в растворе равна 10-4 мол/л. Определить водородный показатель раствора. Указать характер среды.
Задание № 6
Сколько граммов гидроксида калия нужно взять для приготовления 1л 10%масс. раствора (d204 раствора = 1,05 г/мл).
Сколько граммов сульфата алюминия кристаллического (Al2(SO4)3·18H2O) нужно взять для приготовления 500г 10%масс. раствора сульфата алюминия.
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 103г раствора 31,5г азотной кислоты (d204 раствора = 1,03 г/мл).
Определить массовую долю 1,0 молярного раствора карбоната натрия (d204 раствора = 1,15 г/мл).
Сколько надо взять 20%масс. раствора гидроксида калия, чтобы при добавлении к 1кг 50%масс. раствора получился 25%масс. раствор.
В 100г воды растворено 3,5г хлорида кальция. Определить моляльную концентрацию раствора.
На сколько градусов изменится температура кипения раствора, если в 100г воды растворить 53г диэтиленгликоля (С4Н10О3).
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) орто-фосфорная кислота,
б) гидроксид железа (III),
в) карбонат натрия.
Концентрация ионов водорода в растворе равна 10-12 мол/л. Определить водородный показатель раствора. Указать характер среды.
Задание № 7
Сколько граммов серной кислоты нужно взять для приготовления 5кг 30%масс. раствора.
Сколько граммов карбоната натрия кристаллического (Na2CO3· 10H2O) нужно взять для приготовления 1л 50%масс. карбоната натрия (d204 раствора = 1,12 г/мл).
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 250мл раствора 13,35г хлорида алюминия.
Вычислить молярную концентрацию 60%масс. раствора сульфата магния (d204 раствора = 1,31 г/мл).
Сколько граммов 30%масс. раствора хлорида натрия нужно взять, чтобы получить 600г 10%масс. раствора соли.
Найти моляльную концентрацию 15%масс. раствора сульфата алюминия.
При какой температуре будет кипеть 50%масс. водный раствор ацетона (С3Н6О).
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) хлорная кислота,
б) гидроксид магния,
в) нитрат никеля (II).
Определить концентрацию ионов водорода в растворе, водородный показатель которого равен 8. Указать характер среды.
Задание № 8
Сколько граммов азотной кислоты нужно взять для приготовления 4л 20%масс. раствора (d204 раствора = 1,31 г/мл).
Сколько граммов сульфата меди кристаллического (CuSO4 · 5H2O) нужно взять для приготовления 500г 25%масс. раствора сульфата меди.
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 700г раствора 98г серной кислоты (d204 раствора = 1,40 г/мл).
Определить массовую долю 0,5 молярного раствора хлорида калия (d204 раствора = 1,02 г/мл).
Из 400г 50%масс. раствора сульфата меди выпариванием удалили 100г воды. Чему равна массовая доля сульфата меди в оставшемся растворе.
В 500г воды растворено 18г фосфорной кислоты. Определить моляльную концентрацию раствора.
При какой температуре замерзает водный раствор сахарозы (С12Н22О11), если температура кипения этого раствора равна 102,8оС.
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) орто-фосфористая кислота,
б) гидроксид хрома (III),
в) сульфид кальция.
Определить водородный показатель 0,001 молярного раствора азотной кислоты. Указать характер среды.
Задание № 9
Сколько граммов сульфата меди (II) нужно взять для приготовления 800г 40%масс. раствора.
Сколько граммов сульфата железа (II) кристаллического (FeSO4·7H2О) нужно взять для приготовления 300мл 10%масс. раствора сульфата железа (II) (d204 раствора = 1,10 г/мл).
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 100мл раствора 5,6г гидроксида калия.
Вычислить молярную концентрацию 70%масс. раствора нитрата серебра (d204 раствора = 2,20 г/мл).
Смешали 2л 60%масс. серной кислоты (d204 раствора = 1,5 г/мл) с 3л 14%масс. серной кислотой (d204 раствора = 1,1 г/мл). Чему равна массовая доля серной кислоты в полученном растворе.
Определить моляльную концентрацию 10%масс. раствора сульфита натрия.
Приготовили раствор из 9л воды и 2л метилового спирта (СН4О) (d204 метанола = 0,8 г/мл). При какой температуре замерзает раствор.
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) кремниевая кислота,
б) гидроксид никеля (II),
в) орто-фосфат натрия.
Определить молярную концентрацию раствора хлороводородной кислоты, водородный показатель которого равен 2.
Задание № 10
Сколько граммов орто-фосфорной кислоты нужно взять для приготовления 1л 50%масс. раствора (d204 раствора = 1,33 г/мл).
Сколько граммов сульфита натрия кристаллического (Na2SO3 · 7H2O) нужно взять для приготовления 500г 15%масс. раствора сульфита натрия.
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 210г раствора 8,5г нитрата натрия (d204 раствора = 1,05 г/мл).
Определить массовую долю 0,2 молярного раствора серной кислоты (d204 раствора = 1,18 г/мл).
К 500г 30%масс. раствора аммиака (d204 раствора = 1,09 г/мл) добавили 1л воды. Чему равна массовая доля аммиака в полученном растворе.
В 200г воды растворено 15г сульфата магния. Определить моляльную концентрацию раствора.
В 100г воды содержится 7,2г глюкозы (С6Н12О6). Определить температуру замерзания раствора.
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) орто-борная кислота,
б) гидроксид железа (III),
в) хромат алюминия.
Концентрация гидроксид-ионов в растворе равна 10-9 мол/л. Определить водородный показатель раствора. Указать характер среды.
Задание № 11
Сколько граммов орто-фосфата натрия нужно взять для приготовления 4кг 8%масс. раствора.
Сколько граммов сульфата марганца кристаллического (MnSO4·5H2O) нужно взять для приготовления 220мл 35%масс. раствора сульфата марганца (d204 раствора = 1,15 г/мл).
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 500мл раствора 32г сульфата меди.
Вычислить молярную концентрацию 10%масс. раствора сульфата алюминия (d204 раствора =1,2 г/мл).
Какие объёмы 60%масс. раствора серной кислоты (d204 раствора = 1,5г/мл) и 14%масс. раствора серной кислоты (d204 раствора = 1,1 г/мл) нужно смешать, чтобы получить 10 л 27%масс. раствора (d204 раствора = 1,2 г/мл).
Найти моляльную концентрацию 5%масс. раствора сульфата натрия.
Приготовили водный раствор диэтиленгликоля (С4Н10О3). Определить массовую долю диэтиленгликоля в растворе, если температура замерзания раствора – (-20оС).
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) селеновая кислота,
б) гидроксид цинка,
в) сульфид магния.
9. Определить водородный показатель раствора серной кислоты молярная концентрация которого равна 0,05мол/л. Указать характер среды.
Задание № 12
Сколько граммов сульфата алюминия нужно взять для приготовления 500мл 10%масс. раствора (d204 раствора = 1,08 г/мл).
Сколько граммов сульфата железа (II) кристаллического (FeSO4 · 7H2O) нужно взять для приготовления 200г 40%масс. раствора сульфата железа (II).
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 100мл раствора 12,6г сульфита натрия.
Определить массовую долю 2 молярного раствора сульфата алюминия (d204 раствора = 1,2 г/мл).
Какой объём 12%масс. раствора гидроксида калия (d204раствора=1,1г/мл) можно приготовить из 2л 44%масс. раствора (d204раствора=1,5г/мл).
В 250г воды растворено 9г нитрата натрия. Определить моляльную концентрацию раствора.
На сколько градусов изменится температура замерзания раствора, если в 100г воды растворить 9г глюкозы (С6Н12О6).
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) вольфрамовая кислота,
б) гидроксид свинца (II),
в) сульфит натрия.
Определить молярную концентрацию раствора хлороводородной кислоты, водородный показатель которого равна 1.
Задание № 13
Сколько граммов хлорида алюминия нужно взять для приготовления 1кг 58%масс. раствора.
Сколько граммов сульфита натрия кристаллического (Na2SO3 · 7H2O) нужно взять для приготовления 500мл 20%масс. раствора сульфита натрия (d204 раствора = 1,1г/мл).
Определить молярную концентрацию раствора, содержащего в 250г раствора 71г сульфата натрия (d204 раствора = 1,8 г/мл).
Вычислить молярную концентрацию 10%масс. раствора карбоната натрия (d204 раствора = 1,1 г/мл).
Какой объём воды нужно прибавить к 500мл 40%масс. раствора азотной кислоты (d204 раствора = 1,25 г/мл), чтобы получить 10 % масс. раствор кислоты.
Найти моляльную концентрацию 20%масс. раствора хлорида бария.
При растворении 5г вещества в 200г воды получился раствор, замерзающий при температуре минус 1,45оС. Определить молекулярную массу растворённого вещества.
Написать уравнение электролитической диссоциации:
а) сероводородная кислота,
б) гидроксид алюминия,
в) хромат калия.
9. Концентрация гидроксид-ионов в растворе равна 10-7 мол/л. Определить водородный показатель раствора. Указать характер среды.
Растворы – это гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах и между которыми возможно химическое взаимодействие.
По агрегатному состоянию растворы бывают твёрдые, жидкие и газообразные.
Наибольшее значение имеют жидкие растворы, в которых вещества присутствуют в виде молекул и ионов. Так как размер этих частиц меньше половины длины волны светового луча, то они не отражают их и поэтому жидкие растворы всегда прозрачны.
В растворе выделяют растворённое вещество и растворитель. Растворителем называют то вещество, которое в чистом виде существует в таком же агрегатном состоянии, что и раствор.
В водном растворе хлорида натрия растворителем является вода. Если оба вещества до растворения находились в одном и том же агрегатном состоянии, то растворителем считается вещество, находящееся в большем количестве.
Раствор состоит из 20 мл. масла и 80 мл. бензина. Растворителем является бензин.
Состав раствора
Важной характеристикой раствора является его состав. Наиболее часто для выражения состава раствора употребляются следующие величины: доля и концентрация.
Массовая доля растворённого вещества(ω) – отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора.
ω = m раств. вещ. · 100 / m раствора, % масс.
Объёмная доля растворенного вещества – отношение объёма растворённого вещества к сумме объемов веществ до приготовления раствора.
V раств. вещ. · 100 / V раств. вещ. + Vрастворителя, % об.
Мольная доля растворенного вещества – отношение числа молей растворённого вещества к общему числу молей всех веществ, образующих раствор.
N = n раств. вещ. / n раств. вещ. + n растворителя
Массовая концентрация раствора – количество растворённого вещества в 1000 мл раствора. Обычно пользуются единицей г/л.
Молярная концентрация раствора /молярность/ (См) – количество растворённого вещества в молях в 1000 мл раствора.
Эквивалентная концентрация раствора /нормальность/ (Сн) – количество растворённого вещества в эквивалентах в 1000 мл раствора. Химическим эквивалентом называется такое количество вещества, которое соединяется с 1молем атомов водорода или замещает 1 моль атомов водорода в химических соединениях.
Моляльная концентрация раствора /моляльность/ (Сm) - количество растворённого вещества в молях в 1000 г растворителя.
Жидкие растворы
Растворимость – это свойство вещества растворяться в растворителе. Например, в воде могут растворяться твёрдые, жидкие и газообразные вещества.
Растворимость зависит от природы веществ (агрегатного состояния), температуры и давления.
Количественно растворимость выражается концентрацией насыщенного раствора – массой вещества, которое может раствориться при данной температуре.
При 18°С в 100 г воды максимально растворяется 51,7 г нитрата свинца (II). Растворимость Pb(NO3)2 при 18°С = 51,7.
Насыщенный раствор – раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества, т.е. количество частиц вещества, переходящих в раствор, равно количеству частиц, выделяющихся из раствора.
В насыщенном растворе присутствует избыток растворённого вещества (это осадок для твёрдых веществ).
В ненасыщенном растворе содержится меньше растворенного вещества, а в перенасыщенном – больше, чем в насыщенном растворе.
Свойства растворов
Давление насыщенного пара над раствором
Переход молекул вещества из жидкости в газообразное состояние называется испарением. Обратный переход из газообразного состояния в жидкость называется конденсацией. Испарение твердых тел называют сублимацией.
По мере роста температуры жидкости доля молекул с высокой энергией увеличивается, а это значит, что скорость испарения также увеличивается. Испарение в открытом сосуде продолжается до тех пор, пока существует жидкость. Однако, если жидкость находится в замкнутом сосуде, то достигается равновесие, когда скорость испарения жидкости равна скорости конденсации пара. Это динамическое равновесие. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.
Молекулы пара, ударяющиеся о стенку сосуда, оказывают на неё давление. Давление, которое оказывает пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называют давлением насыщенного пара этой жидкости. Это максимальное давление пара, которое развивается жидкостью при данной температуре. Давление насыщенного пара зависит от природы жидкости и температуры и не зависит от количества жидкости.
Давление насыщенного пара определяется числом молекул вещества отрывающихся с поверхности жидкости за единицу времени. На поверхности раствора кроме молекул растворителя находятся молекулы растворённого нелетучего вещества. Поэтому число молекул растворителя, испаряющихся за единицу времени с единицы поверхности раствора меньше, чем с единицы поверхности растворителя. Следовательно, при одной и той же температуре давление насыщенного пара над раствором всегда будет ниже давления насыщенного пара над растворителем.
Количественно эта зависимость выражается законом Р. Рауля: «В идеальных растворах при постоянной температуре величина относительного понижения давления насыщенного пара растворителя над раствором равна молярной доле растворенного нелетучего вещества».
(Р0 – Р) / Р0 = N ,
где Р0 - давление насыщенного пара растворителя над растворителем,
Р - давление насыщенного пара растворителя над раствором,
N - мольная доля растворенного вещества.
Идеальный раствор – раствор, в котором межмолекулярные силы равны. Если вещества А и В образуют идеальный раствор, то силы взаимодействия между молекулами А…А, А…В и В…В равны.
Из закона Рауля следует, что пар над жидким раствором, состоящим из веществ А и В, содержит оба этих вещества, причём давление насыщенного пара каждого из веществ в смеси равно произведению мольной доли этого вещества на давление насыщенного пара над чистым веществом, т.е.:
для вещества А РА = NА· Р0А,
для вещества В РВ = NВ· Р0В,
где РА, РВ – давление насыщенного пара веществ А и В над раствором,
NА, NВ – мольная доля веществ А и В в растворе,
Р0А,Р0В – давление насыщенного пара веществ А и В над чистым веществом.
Температура кипения и температура замерзания раствора
По мере повышения температуры жидкости в открытом сосуде давление насыщенного пара над ней растёт до тех пор, пока не станет равным внешнему давлению − жидкость закипает. Кипение − это процесс испарения жидкости в объеме жидкости. Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости становится равным внешнему давлению, называется температурой кипения жидкости.
Над твёрдыми телами также есть пар, который определяет давление насыщенного пара твердых веществ. Температура замерзания (кристаллизации) жидкости – это температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно давлению насыщенного пара над кристаллом.
Так как согласно закону Р. Рауля давление насыщенного пара над раствором нелетучего вещества ниже давления пара над чистым растворителем, то раствор необходимо нагреть до более высокой температуры, чтобы достичь внешнего давления и охладить до более низкой температуры, чтобы достичь давления насыщенного пара над кристаллом (см. рис).
Следовательно, при одном и том же внешнем давлении температура кипения раствора выше температуры кипения чистого растворителя, а температура замерзания раствора ниже температуры замерзания чистого растворителя.
Количественно эта зависимость установлена Р. Раулем: "Повышение температуры кипения или понижение температуры замерзания идеального раствора не зависит от природы растворенного вещества и прямо пропорционально моляльной концентрации растворённого вещества".
А
Р В жидкость А1
Лед
О
О1 пар
С Т
Рис.1. Зависимость давления насыщенного пара от температуры над водой (кривая ОА) и над раствором нелетучего вещества (кривая О1А1)
DТкип. = Е · Сm , DТзам. = К · Сm ,
где Сm – моляльная концентрация раствора, мол/Кг,
Е – эбуллиоскопическая постоянная, град/мол,
К – криоскопическая постоянная, град/мол.
Е и К показывают повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора, в котором в 1 кГ растворителя содержится один моль растворенного вещества.
Для воды Е = 0,52 град/мол, К = 1,86 град/мол.
Неэлектролиты и электролиты
Свойства растворов относятся к коллигативным свойствам, т.е. к таким свойствам, которые зависят от концентрации частиц в растворе. Изучение свойств растворов различных веществ показало, что для большинства растворов наблюдаются отклонения от закона Р. Рауля.
Например, при растворении 0,1 моля хлорида натрия в 1000 г воды понижение температуры замерзания раствора составило не 0,186о, а 0,318о, т.е. примерно в 2 раза больше теории.
Ван-Гофф ввел в уравнение Р.Рауля поправочный коэффициент, который назвал изотоническим коэффициентом – отношение наблюдаемого значения к расчетному значению.
Полученные экспериментальные данные привели к выводу, что при растворении вещества происходит распад (диссоциация) молекул (кристаллов) растворенного вещества в растворе на более мелкие частицы (ионы).
Растворы, в которых не происходит диссоциация растворенного вещества на ионы, называются растворами неэлектролитов. Система характеризуется отсутствием ионов в растворе и не обладает ионной проводимостью.
Растворы, в которых растворенное вещество распадается на ионы, называются растворами электролитов. Растворы электролитов являются ионными проводниками.
Описание процесса диссоциации изложено в теории электролитической диссоциации созданной С. Аррениусом.
Основные положения этой теории:
1.При растворении электролитов происходит диссоциация (распад) их молекул на заряженные частицы – ионы.
2.При диссоциации устанавливается термодинамическое равновесие между образовавшимися ионами и молекулами.
3.Величина заряда иона совпадает с валентностью атома элемента или кислотного остатка, а число положительных зарядов равно числу отрицательных зарядов.
4.В целом раствор нейтрален. Растворы электролитов проводят электрический ток. Они являются проводниками « второго рода».
Согласно современной теории растворов диссоциация происходит в результате взаимодействия структурных частиц растворённого вещества (молекул, ионов) с молекулами растворителя. Хорошо диссоциируют вещества с ионной и ковалентной полярной связью. Неполярные и малополярные вещества не диссоциируют или диссоциируют очень мало. На диссоциацию электролитов в значительной степени влияет полярность растворителя. Чем выше полярность растворителя, тем выше степень диссоциации электролита.
Диссоциация кислот:
НСl = H+ + Cl-
H2SO4 = 2H+ + SO42-
CH3COOH ↔ H+ + CH3COO-
С точки зрения электролитической диссоциации, кислотами называются электролиты, образующие при диссоциации в водных растворах ионы водорода (Н+).
Диссоциация оснований:
NaOH = Na+ + OH-
Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH-
NH4OH ↔ NH+4 + OH-
Основаниями называются электролиты, которые при диссоциации в водном растворе образуют гидроксид-ионы (ОН-).
Диссоциация солей:
NaCl = Na+ + Cl-
NiSO4 = Ni2+ + SO42-
AlPO4 ↔ Al3+ + PO43-
Солями называются электролиты, которые при диссоциации в водном растворе образуют ионы металлических элементов /катионы/ (за исключением NH4+) и ионы кислотного остатка /анионы/.
Сильные и слабые электролиты
Изучение коллигативных свойств растворов электролитов показало, что в растворах присутствуют наряду с ионами и молекулы, так как диссоциация происходит не полностью, т.е.
КА ↔ К+ + А-
Долю молекул, распавшихся на ионы, характеризуют степенью диссоциации (a). Степень диссоциации – отношение числа распавшихся на ионы молекул (n) к общему числу растворённых молекул N:
a = n / N.
Например: a = 20 %. Это значит, что из 100 молекул электролита 20 молекул распалось на ионы. КА Û К+ + А- и в растворе присутствует 40 ионов, а также 80 нераспавшихся молекул. Всего в растворе будет присутствовать 120 частиц. Изотонический коэффициент равен 1,2
Все электролиты по степени диссоциации делятся на две группы: сильные и слабые.
Электролиты, для которых при эквивалентной концентрации растворов Cн = 0,01-0,1мол/л, степень диссоциации (a) больше 50% относят к сильным. Принято, что сильные электролиты при растворении в воде полностью диссоциируют на ионы (в растворе присутствуют только в виде ионов).
Электролиты, для которых при эквивалентной концентрации растворов Cн = 0,01-0,1мол/л, степень диссоциации (a) меньше, 50 % относят к слабым. Принято, что слабые электролиты при растворении в воде лишь частично диссоциируют на ионы (в растворе присутствуют в основном в молекулярном виде).
К сильным электролитам относятся:
соли, растворимые в воде;
основания элементов I и II групп главных подгрупп Периодической системы элементов Д.И.Менделеева;
кислоты Н2SO4, HNO3, HCl, HBr, HJ, HMnO4, HClO4, HCl03 и др.
К слабым электролитам относятся:
соли, не растворимые в воде;
основания не растворимые в воде, за исключением NH4OH, а также элементов I и II групп главных подгрупп.
кислоты органические (СН3 СООН), H2S, H2SO3, H2CO3, H2SiO3, H3BO3, H3PO4.
К СЛАБЫМ ЭЛЕКТРОЛИТАМ ОТНОСИТСЯ ВОДА ! ! !
Слабые электролиты имеют различную степень диссоциации, которая зависит от концентрации электролита и температуры раствора.
Чтобы исключить влияние концентрации электролита для характеристики диссоциации, используют константу диссоциации.
Так как диссоциация является обратимым процессом КА <=>К+ + А- то по закону действующих масс:
В состоянии равновесия
отсюда .
Константа равновесия в этом случае характеризует диссоциацию электролита и называется константой диссоциации / KД /. KД зависит от температуры и не зависит от концентрации раствора. По величине KД можно судить о силе электролита.
Например: Для одной и той же температуры KД (NH4OH) = 1,79∙10-5;
KД (СН3СООН) = 1,75∙10-5;
KД (HСN) = 4,79∙10-10.
Самым слабым электролитом является HСN, имеющая наименьшее значение константы диссоциации.
Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель. Нейтральная, кислая и основная среды
Вода является очень слабым электролитом. Электролитическая диссоциация воды выражается следующим уравнением:
Н2О <=> Н+ + ОН-
Это обратимый процесс. Константа диссоциации воды запишется:
умножая левую и правую части выражения на [H2O],
получим = [Н+]∙[ОН-],
где = Кд∙[H2O] и называется ионным произведением воды Это уравнение показывает, что при постоянной температуре произведение концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов есть величина постоянная.
При 220С [Н+]∙[ОН-] = 10-14 мол/л. В воде [Н+] = [ОН-] = 10-7 мол/л.
В зависимости от концентрации ионов водорода различают нейтральную, кислую и основную (щелочную) среду (растворы).
Растворы, в которых [Н+] = 10-7 мол/л – нейтральные растворы. В нейтральных растворах присутствуют ионы H+ и OH-. Концентрации ионов равны 10-7 мол/л.
Растворы, в которых [Н+] > 10-7 мол/л – кислые растворы. В кислых растворах присутствуют ионы H+ и OH-. Однако концентрация ионов H+ (например, 10-6, 10-5 и т.д.) выше концентрации OH- (например, 10-8 , 10-9 )
Растворы, в которых [Н+] < 10-7 мол/л – щелочные растворы. В щелочных растворах присутствуют ионы H+ и OH-. Однако концентрация ионов H+ (например 10-8, 10-9 и т.д.) ниже концентрации OH-.
В 0,01 М растворе HCl при 250С [Н+] = 0,01 = 10-2 мол/л, т.к. HCl – сильный электролит и a = 1. При этом концентрация гидроксид ионов: [ОН-]= / [Н+] = 10-14 / 10-2 = 10-12 мол/л.
Для характеристики среды пользуются не значением концентрации ионов водорода [Н+], а величиной водородного показателя (рН):
рН = -lg[Н+]
рН = 7 – нейтральная среда,
рН < 7 – кислая среда,
рН > 7 – щелочная среда.
Для 0,01 М раствора HCl [H+] = 10-2 мол/л, рН = -lg10-2 = 2,
для 0,01 М раствора NaOH рН = -lg10-12 = 12.
Пример 1. Сколько граммов карбоната натрия нужно взять для приготовления 500мл. раствора. Массовая доля карбоната натрия 10%масс. Плотность раствора (d420) равна 1,15г/мл.
Решение. Так как состав раствора выражен в массовых долях, необходимо рассчитать массу раствора
m раствора = d204 · Vраствора;
m раствора = 1,15 · 500 = 575г.
Из определения массовой доли
ω = m раств. вещ. · 100 / m раствора
Следует, что m Na2CO3 = 10 · 575 / 100 = 57,5г.
Ответ. Для приготовления 500мл. раствора с массовой долей 10% необходимо взять 57,5 грамм карбоната натрия.
Пример 2. Сколько граммов сульфита натрия кристаллического (Na2SO3·7H2O) нужно взять для приготовления 400г 20%масс. раствора сульфита натрия.
Решение. Из определения массовой доли
ω = m раств. вещ. · 100 / m раствора
Следует, что m Na2SO3 = 20 · 400 / 100 = 80г.
Найдем массовую долю содержания сульфита натрия в кристаллогидрате. Для этого рассчитаем молярные массы веществ, используя Периодическую систему Д.И Менделеева
М(Na2SO3) = (2∙23 + 32 + 3∙16) =126г/моль
М(Na2SO3·7H2O) = (126 + 7∙18) =252г/моль
ω = 126/252 =0,5
Таким образом, m (Na2SO3·7H2O) = 80/0,5 =160г.
Ответ. Для приготовления 400г. раствора с массовой долей 20% необходимо взять 160 грамм сульфита натрия кристаллического.
Пример 3. В 500мл раствора содержится 117 г хлорида натрия (NaCl). Рассчитать молярную концентрацию (молярность) раствора.
Решение. Используя Периодическую систему Д.И Менделеева, рассчитаем, что молярная масса хлорида натрия (масса одного моля вещества) равна М(NaCl) = 23+35,5=58,5г/мол.
В 500 мл растворено 117г /58,5 г/мол = 2 моля хлорида натрия.
Следовательно, в 1000мл раствора растворено 4 моля хлорида натрия.
Ответ. Молярная концентрация раствора (СМ) равна 4,0 мол/л.
Пример 4. В 1000мл раствора содержится 98 г серной кислоты (H2SO4). Рассчитать эквивалентную концентрацию раствора.
Решение. Из определения эквивалента находим, что моль серной кислоты содержит 2 эквивалента. Используя Периодическую систему Д.И Менделеева, рассчитаем, что молярная масса серной кислоты (масса одного моля вещества) равна
М(H2SO4) = 2+32+64=98г/мол.
Отсюда эквивалентная масса (масса одного эквивалента) серной кислоты равна
Э(H2SO4) = 98 / 2 = 49г/мол.
В 1000 мл растворено 2 эквивалента серной кислоты.
Ответ. Эквивалентная концентрация раствора (Сн) равна 2,0 мол/л.
Пример 5. В 500г воды содержится 124г этиленгликоля (НО-СН2-СН2-ОН). Рассчитать моляльную концентрацию раствора.
Решение. Используя Периодическую систему Д.И Менделеева, рассчитаем, что молярная масса этиленгликоля (масса одного моля С2Н6О2) равна
М(С2Н6О2) =24+6+32=62г/мол.
В 500г воды растворено 124г / 62г/мол = 2 моля этиленгликоля.
В 1000г воды растворено 4 моля этиленгликоля.
Ответ. Моляльная концентрация раствора (Сm) равна 4,0мол / 1000 г растворителя.
Пример 6. Какой объём воды нужно прибавить к 500мл 40%масс. раствора азотной кислоты (d204 раствора = 1,25 г/мл), чтобы получить 10 % масс. раствор кислоты.
Решение. Так как состав раствора выражен в массовых долях, необходимо рассчитать массу раствора
m раствора = d204 · Vраствора;
m1 раствора = 1,25 · 500 = 625г.
Из определения массовой доли
ω = m раств. вещ. · 100 / m раствора
Следует, что m HNO3 = 40 · 625 / 100 = 250г.
Масса растворенного вещества (азотной кислоты) составляет 250г. В 10% растворе 250грамм составляют 10% от массы раствора.
Отсюда масса раствора равна m2 раствора = 250·100 /10 =2500г.
Количество добавленной воды равно m(H2O) = m2 раствора - m1 раствора
Таким образом m(H2O) = 2500 – 625 = 1875г
Ответ. Так как плотность воды принимаем за 1г/мл для приготовления раствора с массовой долей 10% необходимо взять 1875 миллилитров воды.
Пример 7. Сколько надо взять 20%масс. раствора гидроксида калия, чтобы при добавлении к 1кг 50%масс. раствора получился 25%масс. раствор.
Решение. Для решения задачи используем «правило креста»
20% 25 м.ч.
25%
50% 5 м.ч.
30м.ч.
Из расчета получили, что для приготовления 30грамм 25%масс. раствора необходимо взять 25 грамм 20%масс. раствора и 5 грамм 50%масс. раствора.
Следовательно, для приготовления 25%масс. раствора к 1000 граммам 50% масс. раствора необходимо добавить
5грамм(50%) 25грамм(20%)
1000грамм(50%) m (20%)
m (20%) = 25 · 1000 / 5 = 5000г.
Ответ. Для приготовления раствора с массовой долей 25% необходимо к 1 кг 50%масс. раствора добавить 5 килограмм 20%масс. раствора.
Пример 8. Какие объёмы 19%масс. раствора сульфата калия (d204 раствора = 1,1г/мл) и 40%масс. раствора сульфата калия (d204 раствора = 1,4 г/мл) нужно смешать, чтобы получить 10 л 27%масс. раствора (d204 раствора = 1,15 г/мл).
Решение. Для решения задачи используем «правило креста»
19% 13 м.ч.
27%
40% 8 м.ч.
21м.ч.
Из расчета получили, что для приготовления 21грамма 27%масс. раствора необходимо взять 13грамм 19%масс. раствора и 8 грамм 40%масс. раствора.
Масса 10 литров (10000мл) 27%масс. раствора равна 1,15 · 10000 = 11500г.
Следовательно, для приготовления 11500грамм 27%масс. раствора необходимо добавить 19%масс. раствора
21грамм(27%) 13грамм(19%)
11500грамм(27%) m (19%)
m (19%) = 13 · 11500 / 21 = 7119г.
Для приготовления 11500грамм 27%масс. раствора необходимо взять 40%масс. раствора m (40%) = 11500 – 7119 = 4381 грамм.
Объем 19%масс раствора V = 7119 / 1,1 = 6471мл
Объем 40%масс раствора V = 4381 / 1,4 = 3129мл
Ответ. Для приготовления 10л раствора с массовой долей 27% необходимо к 6471мл 19%масс. раствора добавить 3129мл 40%масс. раствора.
Пример 9. В 1000 г воды растворено 342 г сахара (С12Н22О11). Рассчитать температура замерзания раствора. Криоскопическая постоянная воды (К) равна 1,86 град/мол.
Зависимость понижения температуры замерзания раствора по закону Р. Рауля выражается
DТзам. = К · Сm,
где К – криоскопическая постоянная,
Сm − моляльная концентрация раствора.
Рассчитаем моляльную концентрацию раствора. Используя Периодическую систему Д.И Менделеева рассчитаем, что молярная масса сахара (масса одного моля С12Н22О11) равна 144+22+176=342г/мол.
В 1000 г воды растворено 342 г / 342 г/мол = 1 моль сахара.
Моляльная концентрация раствора (Сm) равна 1,0мол/1000г растворителя.
Рассчитаем понижение температуры замерзания раствора сахара
DТзам. = 1,86 град/мол ·1,0 мол = 1,86 град.
Температура замерзания воды 00С.
Ответ. Температура замерзания раствора составляет 0 – 1,86 = −1,86 град.
Пример 10. Рассчитать концентрацию ионов [Н+] и [ОН-] в 0,01 М растворе хлороводородной кислоты при 250С.
Решение. Хлороводородная кислота является сильным электролитом.
Диссоциирует по уравнению НСl = H+ + Cl-
Концентрация кислоты равна 10-2 мол/л. Степень диссоциации равна 1. Следовательно концентрация ионов водорода [Н+] и ионов хлора [Cl-] равна 10-2 мол/л.
Так как ионное произведение воды = [Н+]∙[ОН-] = 10-14, находим, что концентрация гидроксид ионов [ОН-] = / [Н+] = 10-14 / 10-2 = 10-12 мол/л.
Ответ. Концентрация ионов [Н+] равна 10-2 мол/л, концентрация гидроксид ионов [ОН-] равна 10-12 мол/л,
Методические указания по дисциплине «Химия» к лабораторным занятиям по теме «Растворы. Свойства растворов» для студентов специальностей 130503 «Проектирование, сооружение и эксплуатация нефтегазопроводов и нефтегазохранилищ» (НТХ/СТХ), 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» дневной формы обучения
Составитель: канд. хим. наук, доцент Обухов В.М.
Подписано к печати Бумага писч. № 1
Заказ № Уч. изд. л.
Формат 60/90/ 1/16. Усл. печ. л.
Отпечатано на RISO GR 3750 Тираж экз.
Издательство «Нефтегазовый университет»
Государственное образовательное учреждение профессионального высшего образования
«Тюменский государственный нефтегазовый университет»
625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38
Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет»
625039, г. Тюмень, ул. Киевская, 52
PAGE 22