СВОЙСТВА  РАСТВОРОВ 

  Растворы  – это однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух или более компонентов (составных частей), количества которых могут изменяться в широких пределах. Раствор состоит из растворенного вещества и растворителя, т.е. среды, в которой растворенное вещество равномерно распределено в виде молекул или ионов.  Однородность растворов делает их сходными с химическими соединениями. Отличие растворов от химических соединений состоит в том, что состав растворов может изменяться в широких пределах. Непостоянство состава растворов приближает их к механическим смесям, но от последних они резко отличаются своей однородностью. Таким образом, растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими элементами. Различают газовые, жидкие и твердые растворы. Наибольшее распространение имеют жидкие растворы. Растворы, в отличие от химических соединений, имеют не постоянный состав, поэтому необходимо учитывать его концентрацию.

  Состав  раствора (содержание в нем растворенного вещества) может быть выражен разными способами (способы выражения концентраций раствора). Наиболее распространенными из них являются следующие:

• массовая доля (w) - отношение массы растворенного вещества (г, кг) к массе всего раствора в процентах, т.е. показывает, сколько граммов растворенного вещества содержится в 100 г раствора:

m_р-ра = V_р-ра × r_р-ра ;

m_р-ра = m_в-ва + m_{растворителя} 
 

w =

• молярная  концентрация (молярность, С_М) показывает количество молей растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора

С_M =

• нормальная концентрация (нормальность, С_H) показывает количество моль-эквивалентов растворенного вещества (эквивалентов), содержащихся в 1 л раствора

С_Н =

  Эквивалентом  вещества называется такое его количество, которое соединяется, вытесняет или замещает  1моль атомов водорода. Масса эквивалента, выраженная в граммах, называется эквивалентной массой.

  Для определения нормальности раствора необходимо уметь рассчитывать эквивалентную  массу нерганических веществ.

  Эквивалентная масса кислоты, основания, соли, участвующих в ионно-обменных процессах, равна частному от деления молярной массы этого вещества на произведение количества катионов в молекуле на их заряд (или количества анионов на их заряд) для веществ

  Э_в-ва =

где  y – число катионов;

       + х – заряд катионов;

       х – число анионов;

       - у – заряд анионов.

  Эквивалентная масса вещества, участвующего в окислительно-восстановительном процессе, равна частному от деления молярной массы вещества на количество отданных (восстановитель) или принятых (окислитель) электронов.

  Э_{в-ва окисл.-восст.}  = М / n_ē

• титр раствора (Т) показывает количество граммов растворенного вещества, содержащихся в 1 мл раствора

Т =

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

КОНЦЕНТРАЦИИ  РАСТВОРОВ 

  Задача 1. Сколько граммов КОН надо растворить в 100 г воды, чтобы получить раствор с массовой долей 6 %?

  Решение. По определению массовой доли (w) известно, что в 100 г раствора будет содержаться 6 г КОН.

  m_{раствора} = m_{растворенного в-ва} + m

следовательно, m = 100 г раствора – 6 г = 94 г,

тогда в 94 г Н₂О содержится 6 г КОН, а

          в 100 г Н₂О          »        х г КОН;     х = 6,38 г КОН.

  Задача 2. Какой объем 96 %-ной (по массе) серной кислоты (плотность раствора, r = 1,84 г/см³) и какую массу воды надо взять для приготовления 100 мл 15%-ного (по массе) раствора серной кислоты (плотность раствора, r = 1,10 г/см³).

  Решение. Найдем массу 100 мл 15%-ного (по массе) раствора Н₂SO₄.

  m_{раствора} = r×V = 1,10×100 = 110 г

  Массу Н₂SO₄ , содержащуюся в 110 г этого раствора, найдем из пропорции

  100 г раствора содержат 15 г Н₂SO₄

  110 г раствора       »          х г Н₂SO₄,

  х =16,5 г Н₂SO₄

  или          m = 110× = 16,5 г.

  Далее найдем массу 96 %-ного (по массе) раствора Н₂SO₄, в котором содержится 16,5 г Н₂SO₄,

в 100 г  раствора содержится  96 г Н₂SO₄

         х г            »                        »           16,5 г Н₂SO₄ ;

х = 17,2 г раствора или m _{96%-ного р-ра} = = 17,2 г. Найдем объем 96 %-ного раствора, масса которого 17,2 г:

  Итак, для приготовления 100 мл 15%-ного раствора Н₂SO₄ потребуется 9,34 мл 96%-ного раствора и 110 г - 16,5 г = 93,5 г Н₂О.

   Задача 3. Определите молярную концентрацию раствора NaOH, если в 200 мл раствора содержится 1,6 г растворенного вещества.

  Решение. Молярная масса NaOH равна 40 г/моль. Определим количество молей NaOH, содержащихся в 200 мл раствора:

  n =

  Исходя  из определения молярной концентрации, найдем количество молей NaOH, содержащихся в 1 л раствора:

  С_M = n / V

  С_M = 0,04 : 0,2 = 0,2 моль/л.

  Задача 4. Какова нормальность раствора хлорида железа (III), в 0,3 л которого содержится 32,44 г соли?

  Решение. Молярная масса хлорида железа равна    162,3 г/моль. Эквивалентная масса FeCl₃ = 162,3 : 3 =   54,1 г/моль-экв.

  Определим количество моль-эквивалентов растворенного вещества (FeCl₃), содержащихся в 0,3 л раствора:

n = 32,44 : 54,1 = 0,6 моль-эквивалентов (эквивалентов).

  Нормальность  определяется количеством моль-эквивалентов растворенного вещества в 1 л раствора. Следовательно,      0,3 л содержит 0,6  моль-эквивалента

                  1 л          »          х моль-эквивалентов;

  х = 2 моль-эквивалента (эквивалента).

  С_Н = 2 (2н раствор) или С_Н =

  Задача 5. Определите молярность, нормальность и титр 15%-ного раствора серной кислоты. Плотность раствора r =1,10 г/см³.

  Решение. 1. Примем объем раствора, равным 1 л. Определяем массу (г) серной кислоты, содержащуюся в 1 л ее раствора, из пропорции

  в 100 г раствора содержится 15 г Н₂SO₄

    в 1,10 × 1000 г        »              »             х г Н₂SO₄ ,

отсюда  следует, что в 1л раствора массой 1,10 × 1000 г содержится х =165 г Н₂SO₄ ;

  2. Молярная масса Н₂SO₄ равна 98 г/моль, в 1л раствора содержится Н₂SO₄ 165 : 98 = 1,68 моль. Таким образом С_М = 1,68 моль/л;

  3. Эквивалент Н₂SO₄ равен 98 : 2 = 49 г/моль-экв. или 49 г/экв. Количество моль-эквивалентов в165 г Н₂SO₄ равно 165 : 49 = 3,36 моль-эквивалентов. Следовательно, в 1л раствора содержится 3,36 моль-эквивалентов

  С_Н = 3,36 моль-экв./л (экв./л);

  4. Определим титр раствора. Т = m / v; Т = 165: 1000 = 0,165 г/мл.

  Задача 6. В каком объеме 0,5 нормального раствора карбоната натрия содержится 10 г соли? Какова молярность и титр этого раствора?

  Решение. 1. Исходя из определения нормальности, в   1 литре раствора содержится 0,5 моль-эквивалентов Na₂CO₃.

  Эквивалентная масса Na₂CO₃ = 106 : 2 = 53 г/моль-экв. Следовательно, в 1 л 0,5 н раствора содержится 0,5 × 53 = 26,5 г Na₂CO₃,

тогда        в 1л 0,5н раствора содержится 26,5 г  Na₂CO₃

               в х  л                    »       10 г Na₂CO₃

х = 0,38 л ;

  2. Определим С_М раствора. В 1 л 0,5н раствора содержится 26,5 г Na₂CO₃. Находим количество молей Na₂CO₃

n = 26,5:106=0,25 молей, следовательно, С_М = 0,25 моль/л.

  3. Определим титр раствора.

  В 1000 мл раствора содержится 26,5 г Na₂CO₃

  в 1мл раствора                     »            х г

  х = 0,0265 г, Т = 0,0265 г/мл.

  Задача 7. Для нейтрализации 42 мл серной кислоты потребовалось 14 мл 0,3 н раствора  щелочи. Определите молярность раствора Н₂SO₄.

  Решение. Поскольку вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах (закон эквивалентов), то можно написать

  C_{Н кислоты} × V_{кислоты} = C_{Н щелочи} × V_щелочи

  Следовательно, C_{Н кислоты} × 42 = 14 × 0,3; C_{Н кислоты} = 0,1.

  C_{Н кислоты} = 0,1 моль-эквивалентов/л. Молярная масса Н₂SO₄ = 98 г/моль; эквивалентная масса Н₂SO₄ =98 : 2 = 49 г/моль-экв., или эквивалентная масса составляет 0,5 моля Н₂SO₄.

  Отсюда  молярность раствора Н₂SO₄ составит 0,1 × 0,5 = 0,05 моль/л, C_М = 0,05 моль/л.

  Или примем V_{х раствора} = 1 л, тогда m = C_Н × Э × V;

   = 0,1×49×1 = 4,9 г; C_М = = 0,05 моль/л.

  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

Теоретические вопросы

1. Растворы (определение). Почему для характеристики растворов, в отличие от индивидуальных веществ, необходимо указывать их состав?
2. Назовите известные Вам способы выражения состава растворов (концентрации). Укажите единицы их измерения.
3. Приведите формулы для расчета концентраций растворов (w, С_М, С_Н, Т).
4. Приведите примеры жидких, твердых и газообразных (газовых смесей) растворов. Какой из компонентов раствора обычно выбирают в качестве растворителя?
5. Какие растворы называются ненасыщенными, насыщенными и пересыщенными? Концентрация какого из этих растворов называется растворимостью?
6. Какова зависимость растворимости газов в жидкостях от температуры и давления (закон Генри)? Что такое парциальное давление?
7. Какова зависимость растворимости кристаллического вещества от температуры? Перекристаллизация и ее практическое применение.
8. Сольватация (гидратация) и ее роль в процессе образования растворов. Сольватная (гидратная) оболочка.
9. Энтальпия растворения как результат соотношения энтальпии разрушения кристаллической решетки и энтальпии сольватации (гидратации).
10. Дайте определения понятиям «массовая доля растворенного вещества в растворе» и «молярная концентрация раствора». Укажите расчетные формулы, единицы измерения.
11. Дайте определения понятиям «нормальная концентрация раствора» и «титр раствора». Укажите расчетные формулы, единицы измерения.
12. Применение принципа Ле-Шателье к обратимой системе «газ + растворитель D раствор»; rН > 0. Как влияет изменение давления газа и температуры на растворимость газа в жидкости?
13. Применение принципа Ле-Шателье к обратимой системе «кристаллическое вещество + растворитель D раствор»; rН < 0. Как влияет изменение температуры и внешнего давления на растворимость твердого вещества в жидкости?
14. Одинаковы ли энтальпии растворения Na₂SO₄ и Na₂SO₄ × 10 Н₂О? Почему?

Задачи 

1. Сколько граммов  сульфата натрия следует растворить в 400 мл воды для получения 8%-ного (по массе) раствора?
2. Вычислите массовую долю (w %) раствора, содержащего 50 г хлорида натрия в 650 г воды.
3. Какова массовая доля (w %) раствора, если в 750 мл воды содержится 60 г нитрата серебра?
4. В каком  количестве молей воды следует растворить 40 г иодида калия для получения 4%-ного (по массе) раствора?
5. В каком объеме воды следует растворить 50 г хлорида калия для получения 10%-ного (по массе) раствора?
6. Сколько граммов хлористого водорода надо растворить в 250 мл воды для получения 10%-ного (по массе) раствора соляной кислоты?
7. В 150 граммах воды растворили 15 л хлористого водорода (н.у.). Определите массовую долю (w %) образовавшегося раствора соляной кислоты.
8. Какой объем газообразного аммиака (н.у.) надо  растворить в воде, чтобы получить 500 г 6%-ного (по массе) раствора аммиака?
9. Сколько граммов гидроксида калия надо растворить в 100 г воды, чтобы получить раствор с массовой долей 6 %.
10. Сколько граммов соли и воды содержится в 800 г 12%-ного (по массе) раствора нитрата натрия?
11. К 300 мл раствора с массовой долей серной кислоты 30 %  (плотность   раствора  r  =  1,22 г/мл)  добавим 1 литр воды. Рассчитайте массовую долю (w %) полученного раствора.
12. В каком объеме воды следует растворить 100 граммов сульфата калия для получения раствора с массовой долей растворенного вещества 5 %?
13. Сколько граммов хлорида натрия и воды потребуется для приготовления 3 л раствора с массовой долей растворенного вещества 5 % (плотность раствора r = 1,03 г/мл)?
14. В каком объеме воды следует растворить 60 г хлорида магния для получения 10%-ного (по массе) раствора?
15. Вычислите массовую долю (w %) раствора, содержащего 50 г сульфата натрия в 750 г воды.
16. Вычислите массовую долю (w %) азотной кислоты в растворе, в 0,5 л которого содержится 120 г кислоты.
17. Какой объем 96%-ной (по массе) серной кислоты (плотность раствора r = 1,84 г/мл) потребуется для приготовления 3 л 0,5 М раствора? Какова нормальность полученного раствора?
18. Рассчитайте молярность, нормальность и титр 2 % -ного раствора сульфата магния (плотность раствора r = 1,02 г/мл).
19. Рассчитайте молярную и нормальную концентрацию 8%-ного (по массе) раствора серной кислоты (плотность раствора r = 1,05 г/мл).
20. В 282 мл воды растворим 18 г фосфорной кислоты. Рассчитайте масссовую долю (w %), молярность и нормальность этого раствора (плотность раствора r = 1,03 г/мл).
21. Сколько граммов сульфата калия необходимо для приготовления 5 л раствора с массовой долей 5 % (плотность раствора r = 1,04 г/мл)? Рассчитайте молярность и нормальность приготовленного раствора.
22. В каком объеме 0,5 молярного раствора карбоната натрия содержится 7 граммов соли? Какова нормальность и титр этого раствора?
23. К раствору серной кислоты объемом 300 мл с массовой долей 30 % (плотность раствора r = 1,22 г/мл) добавили 1 л воды. Рассчитайте массовую долю (w %) и молярность полученного раствора.
24. Сколько миллилитров 96%-ного раствора серной кислоты (плотность раствора r = 1,84 г/мл) необходимо для приготовления 2 л 0,5 нормального раствора серной кислоты?
25. В 33,3 мл воды растворили 16,7 грамма серной кислоты. Рассчитайте массовую долю (w %), молярность, нормальность и титр полученного раствора (плотность раствора r = 1,28 г/мл).
26. Сколько граммов нитрата калия потребуется для приготовления 500 мл 0,23 молярного раствора? Какова молярность и титр полученного раствора?
27. Титр раствора хлорида кальция равен 0,022 г/мл. Рассчитайте молярность и нормальность этого раствора.
28. Сколько граммов соли содержится в 200 мл 0,3 нормального раствора хлорида алюминия? Какова молярность и титр этого раствора?
29. Сколько литров 0,5 молярного раствора серной кислоты можно приготовить из 70 мл 50%-ного (по массе) раствора серной кислоты (плотность раствора r = 1,40 г/мл)?
30. Вычислите массовую долю (w %) раствора азотной кислоты в 0,3 л которого содержится 100 г кислоты (плотность раствора r = 1,28 г/мл). Какова молярность и нормальность этого раствора?
31. Сколько граммов раствора с массовой долей хлорида бария 4 % потребуется для взаимодействия с 30 мл 0,5 нормального раствора серной кислоты?
32. Сколько миллилитров 0,5 нормального раствора серной кислоты потребуется для нейтрализации 20 граммов гидроксида натрия?
33. Какой объем водорода (н.у.) выделится при растворении цинка в 100 мл 20%-ного (по массе) раствора соляной кислоты (плотность раствора r = 1,10 г/мл)?
34. Какой объем 0,2 молярного раствора серной кислоты потребуется для нейтрализации гидроксида калия, содержащегося в 300 г 17%-ного (по массе) раствора?
35. Сколько граммов раствора с массовой долей нитрата серебра 2% потребуется для взаимодействия с 30 мл 0,5 нормального раствора соляной кислоты?
36. Сколько миллилитров 0,5 нормального раствора соляной кислоты необходимо добавить к раствору нитрата серебра для получения 0,3 грамма осадка?
37. Сколько миллилитров 23%-ного (по массе) раствора аммиака (плотность раствора r = 0,916 г/мл) потребуется для взаимодействия с 250 мл 2 нормального раствора соляной кислоты?
38. Сколько литров 0,1 нормального раствора нитрата серебра потребуется для взаимодействия с 0,5 л 0,3 нормального раствора хлорида алюминия?
39. Какой объем 0,25 нормального раствора серной кислоты потребуется добавить к раствору карбоната натрия, чтобы выделилось 8 л диоксида углерода (н.у.)?
40. Сколько граммов 5%-ного раствора нитрата серебра потребуется для взаимодействия со 120 мл 0,5 нормального раствора хлорида магния?

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ 

  Растворы  состоят из растворителя и одного (или более) растворенных веществ. Наиболее распространенными являются водные растворы (растворитель вода). В неводных растворах, которые в последнее время находят все большее применение, могут быть использованы другие растворители (бензол, спирт, жидкий аммиак и т.д.).

  Растворенное  вещество в растворах находится  в виде изолированных молекул  или ионов. В процессе образования раствора большую роль играет взаимодействие частиц растворенного вещества (молекул или ионов) с молекулами растворителя, т.е. сольватация (гидратация, если растворителем является вода). Энергетический эффект, наблюдаемый при растворении 1 моля вещества, называется энтальпией растворения (кДж/моль). Процесс растворения может быть экзотермическим (например, КОН) или эндотермическим (например, КNO₃). Сольватация (гидратация) играет решающую роль и в процессах электролитической диссоциации молекул растворенного вещества на ионы.

  В соответствии с теорией электролитической  диссоциации в растворах некоторых веществ происходит обратимый распад молекул на ионы. Поэтому в растворах  таких веществ одновременно присутствуют молекулы и ионы. Количественно способность молекул вещества к электролитической диссоциации описывается степенью электролитической диссоциации a (a % = a × 100 %) и константой электролитической диссоциации K_дис., т.е. константой равновесия, записанной для обратимого процесса электролитической диссоциации. Способность к электролитической диссоциации зависит от природы растворенного вещества, природы растворителя, от температуры, концентрации раствора и наличия в растворе одноименных ионов. Закон разбавления (разведения) Оствальда устанавливает взаимосвязь между a, K_дис и молярной концентрацией растворенного вещества в растворе С_М

  K_дис. = C_M × a².

  По  величине степени диссоциации a электролиты условно делят на слабые (a < 3 %), сильные (a > 30 %) и средней силы (a =  3-30 %). 

  В растворах сильных электролитов (особенно при малых концентрациях С_м < 0,1 моль/л) можно принять, что все молекулы растворенного вещества полностью распадаются на ионы, а недиссоциированные молекулы отсутствуют.

  Вода  относится к очень слабым электролитам (K_дис. = 1,8 × 10^-16). Произведение [Н⁺] × [ОН^-] = 10^-14  при t = 22 ^oC постоянно для чистой воды и водных растворов различных веществ. Возможность и скорость протекания реакций в водных растворах в большей степени зависит от концентрации [Н⁺], поэтому эта величина имеет большое значение. Для удобства используют не величину [Н⁺], а водородный показатель рН = -lg[Н⁺]. 
 
 

  ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ  ЗАДАЧ 

  Задача  1. Чему равна молярная концентрация частиц в растворе, содержащим 0,11 г  CaCl₂ в 200 мл раствора?

  Решение.

  CaCl₂ D Ca⁺² + 2 Cl^-

молярная  концентрация CaCl₂

C_М =

так как CaCl₂ – соль (сильный электролит), а концентрация раствора мала, примем a = 1 (100 %).

Тогда

[CaCl₂]_{расп. на ионы} = [CaCl₂]_общей = 5×10^-3 моль/л;

[CaCl₂]_недис. = 0 моль/л.

Из уравнения  электролитической диссоциации  следует, что 

[Ca⁺²] = [CaCl₂]_{расп. на ионы} = 5×10^-3 моль/л;

[C1^-] = 2[CaCl₂]_{расп. на ионы} =2×5×10^-3 = 10^-2 моль/л.

  Ответ. В растворе присутствуют ионы Ca⁺² и C1^-, молекулы CaCl₂ – отсутствуют. [Ca⁺²] =5×10^-3, [C1^-] =10^-2 моль/л.

  Задача  2. Определить концентрации [Н⁺], [CН₃СОО^-] и [CН₃СООН] в 0,1 M растворе CН₃СООН, если a =1,34 %.

  Решение. CН₃СООН D Н⁺ + CН₃СОО^-]. Ионы CН₃СОО^- и Н⁺ образуются из молекул CН₃СООН, участвующих в электролитической диссоциации. Из уравнения следует, что

  [CН₃СОО^-] = [Н⁺]= [CН₃СООН]_{расп. на ионы} .

  По  определению a = С_{расп. на ионы} / C_{общее кол-во}, следовательно,

[CН₃СОО^-] _{расп. на ионы} = [CН₃СООН]_общ.× a = 0,1× = 1,34 × 10^-3 моль/л, отсюда [Н⁺]= [CН₃СОО^-] = 1,34× 10^-3 моль/л.

  Не  распалось на ионы

[CН₃СООН] = [CН₃СООН]_общ. - [CН₃СОО^-] _{расп. на ионы} = С - aС = С (1-a) = 0,1(1-0,00134) = 0,099866 моль/л.

  Ответ. [CН₃СООН]_недис. = 0,099866 моль/л;

         [Н⁺]= [CН₃СОО^-] = 1,34× 10^-3 моль/л.

  Задача  3. Определить [Н⁺] и рН 1 10^-2 M растворе азотистой кислоты. K_дис. = 5,1×10^-4.

  Решение.

  HNO₂ D H⁺ + NO^-₂

         [H⁺] = [HNO₂]_{расп. неполн.} = aС        (см. задачу 2).

  По  закону разведения Оствальда . K_дис. = С_M . a², откуда

  a =

[H⁺] = aС_общ. = 2,3×10^-1×10^-2 =2,3×10^-3 моль/л;

рН = -lg [H⁺] = -2,3×10^-3 = 2,64.

  Ответ. [H⁺] = 2,3×10^-3 моль/л; pH = 2,64.

  Задача  4. Чему равны [ОH^-], [H⁺] и рН в 0,2 %-ном растворе NaOH? Плотность раствора равна 1 г/см³.

  Решение.

1. Определим С_M раствора NaOH.

      Примем  V_р-ра = 1л = 1000 см³,

          m_р-ра = V _р-ра × r _р-ра = 1000 × 1 = 1000 г,

          m_NaOH = m_р-ра = 1000 = 2 г,

          С_M = = = 0,05 моль/л.

2. NaOH D Na⁺ + OH^-, так как NaOH относится к сильным электролитам, то при С_M = 0,05 моль/л примем a = 1.

   Следовательно, С_{расп. на ионы} = С_общ. = 0,05 моль/л;

   [Na⁺] = [OH^-] =[NaOH]_{расп. на ионы} = 0,05 моль/л.

3. Из ионного произведения воды [Н⁺] × [OH^-] = 10^-14