 |
|
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ
РАСТВОРЫ. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Магнитогорск, 2011 г.
УДК 54
Рецензенты:
Заведующий кафедрой «Химическая технология»
Южно-Уральского государственного университета
доктор технических наук, старший научный сотрудник
Б.Ш. Дыскина
Доцент Магнитогорского Государственного университета,
кандидат химических наук,
В.А. Дозоров
Варламова И.А., Коляда Л.Г.
Растворы. Дисперсные системы: Учеб. пособие.-Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011.- с.
ISBN
Пособие предназначено для студентов технических специальностей, изучающих дисциплины «Химия», «Общая химия» и «Неорганическая химия». Пособие включает в себя задачи по разделам курса химии: растворы и дисперсные системы (способы выражения концентрации растворов, свойства разбавленных растворов неэлектролитов, растворы электролитов, комплексные соединения, коллоидно-дисперсные системы).
В пособии приводятся краткие теоретические сведения по каждой теме, примеры решения типовых задач и многовариантные контрольные задания для самостоятельного решения. Пособие также включает справочный материал.
УДК 54
ISBN © ГОУ ВПО «МГТУ», 2011
·© Варламова И.А., Коляда Л.Г., 2011
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Предисловие…………………………………………………………... | |
| Введение……………………………………………………………….. | |
| 1.Способы выражения концентрации растворов………………... | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………... | |
| 2.Свойства разбавленных растворов неэлектролитов………… | |
| 2.1.Осмос. Осмотическое давление………………………………. | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………... | |
| 2.2. Давление насыщенного пара растворителя над раствором. Первый закон Рауля…………………………………………… | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы………….. | |
| 2.3. Температура замерзания и кипения растворов. Второй закон Рауля……………………………………………………………. | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………... | |
| 3.Растворы электролитов…………………………………………… | |
| 3.1. Степень диссоциации. Константа диссоциации слабого электролита……………………………………………………………. | |
| 3.1.1. Вычисление концентрации ионов и степени диссоциации слабого электролита……………………..…….………………. | |
| 3.1.2. Вычисление константы диссоциации слабого электролита…………………………...………………………………….……... | |
| 3.1.3. Вычисления, связанные со смещением равновесия диссоциации слабого электролита…………………………….….. | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 3.2.Сильные электролиты. Активность. Ионная сила……..…… | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 3.3.Сильные электролиты. Изотонический коэффициент……… | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 3.4.Реакции ионного обмена………………………………………… | |
| 3.4.1.Составление ионно-молекулярных уравнений……………. | |
| 3.4.2.Составление молекулярных уравнений по ионно-молекулярным…………………………………………………………. | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 3.5.Диссоциация воды. Водородный показатель……………..… | |
| 3.5.1.Ионное произведение воды…………………………………... | |
| 3.5.2.Водородный показатель………………………………………. | |
| 3.5.3.Примеры решения задач……………………………………… | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 3.6.Гидролиз солей……………………………………………………. | |
| 3.6.1. Количественные характеристики процесса гидролиза….. | |
| 3.6.2. Примеры решения задач……………………………………... | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 3.7.Произведение растворимости………………………………….. | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 4.Комплексные соединения…………………………………………. | |
| 4.1.Основные положения координационной теории…………….. | |
| 4.2.Номенклатура комплексных соединений……………………... | |
| 4.3.Природа химической связи в комплексных соединениях….. | |
| 4.4.Классификация комплексных соединений…………………. | |
| 4.5.Образование комплексных соединений………………………. | |
| 4.6.Диссоциация комплексных соединений……….……………… | |
| 4.7.Примеры решения задач………………………………………… | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| 5.Коллоидно-дисперсные системы………………………………. | |
| 5.1.Классификация коллоидных систем………………………..… | |
| 5.2.Получение коллоидных систем………………………………… | |
| 5.3.Строение коллоидных частиц…………………………………... | |
| 5.4.Устойчивость коллоидных систем………………………..…… | |
| 5.5.Примеры решения задач………………………………………… | |
| Контрольные задания для самостоятельной работы…………… | |
| Приложение…………………………………………………………….. | |
| Библиографический список………………………………………….. |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие написано в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования и программами учебных курсов «Химия», «Общая химия» и «Неорганическая химия» для технических специальностей вузов.
Предлагаемое учебное пособие разработано в дополнение к учебнику и соответствует нескольким разделам программы учебного курса по химии (растворы, дисперсные системы). При изучении курса химии большое значение имеет приобретение навыков в решении задач, что является одним из критериев прочного усвоения курса.
Каждая глава содержит теоретический материал, примеры решения типовых задач и контрольные задания для самостоятельного решения. В первой главе рассмотрены способы выражения количественного состава растворов. Во второй главе представлены коллигативные свойства разбавленных растворов неэлектролитов (осмотическое давление, давление пара растворителя над раствором, температуры кипения и кристаллизации растворов неэлектролитов). Третья глава посвящена свойствам растворов электролитов, закономерностям процессов диссоциации, реакциям в растворах электролитов, в том числе процессам гидролиза солей, расчетам, связанным с определением рН растворов и произведений растворимости малорастворимых соединений. В четвертой главе рассмотрены основы химии координационных соединений, а в пятой – процессы образования, свойства и устойчивость дисперсных систем, в том числе коллоидных растворов, имеющих большое значение в различных технологических процессах.
Справочный материал, необходимый для решения задач, приводится в Приложении. В пособии использовалась, главным образом, Международная система единиц (СИ). Однако, в ряде случаев использовались нестандартные единицы (например, литр), которые часто встречаются в учебной и технической литературе.
ВВЕДЕНИЕ
Очень многие химические реакции, в том числе технически и жизненно важные, протекают в жидких системах. Раствор - это гомогенная (однофазная) система переменного состава (в зависимости от температуры, давления и других условий), в которой одно или несколько веществ равномерно распределены в среде другого вещества. Поэтому растворы могут состоять из двух и более компонентов, которые распределяются в виде атомов, молекул, ионов или в виде групп (ассоциатов) небольшого числа этих частиц. То вещество, которое растворяет другое, называется растворителем. Растворитель в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и образовавшийся раствор. Любой раствор состоит из растворителя и одного или нескольких растворенных веществ.
Растворы могут иметь любое агрегатное состояние: твердое (растворы металлов), жидкое (растворы твердых, жидких, газообразных веществ в жидкостях), газообразное (смеси газов). В зависимости от природы растворителя растворы бывают водными и неводными. В зависимости от природы растворенного вещества различают растворы электролитов и неэлектролитов.
Важнейшей характеристикой раствора является его состав, который выражается концентрациями компонентов. В зависимости от концентрации жидкого раствора говорят о разбавленных и концентрированных растворах. Большое значение для химии и технологии имеют способы выражения количественного состава растворов.
Истинные растворы представляют гомогенную смесь компонентов, в которых размеры молекул, атомов или ионов обычно не превышают 5·10-9 м. При увеличении размеров частиц система становится гетерогенной, состоящей из двух или более фаз с сильно развитой поверхностью раздела. Такие системы получили название дисперсных систем. Типичными дисперсными (коллоидными) системами являются золи, в которых дисперсной фазой является твердое тело, а дисперсионной средой – жидкость.
Координационные или комплексные соединения - соединения определенного состава, образующиеся в результате координации ионов или нейтральных молекул (лигандов) атомом или ионом химического элемента (комплексообразователем) по донорно-акцепторному механизму. Реакционная способность комплексных соединений определяется скоростью обмена лигандов на другие ионы или молекулы в растворе.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ
Концентрацией называют количественную характеристику раствора, определяющую относительное содержание в нём растворённого вещества и растворителя.
В химии общеприняты следующие способы выражения концентрации растворенного вещества в растворах:
1) массовая доля растворённого вещества;
2) молярная концентрация растворённого вещества;
3) молярная концентрация эквивалентов растворённого вещества;
4) моляльная концентрация растворённого вещества;
5) титр;
6) мольная доля растворённого вещества.
Массовая доля растворённого вещества 
(символ - 
, безразмерная величина, выражается в долях единицы или процентах) - показывает, какую часть массы всего раствора составляет масса растворённого вещества.
Массовую долю находят как отношение массы растворенного вещества 
к массе всего раствора 
:
= 
(в долях единицы);
= 
(в процентах).
Массу раствора можно найти, зная объём раствора 
(мл) и его плотность 
(г/мл):
,
или, зная для раствора массу растворённого вещества и массу растворителя 
:
Пример 1. Раствор хлорида железа (III) объёмом 200 мл и плотностью 1,015 г/мл содержит 4,06 г 
. Определите массовую долю в растворе.
Дано: Решение:
= 200 мл 1. Найдём массу раствора:
= 1,015 г/мл 
= 1,015·200=203,00 г.
= 4,06 г 2. Найдём массовую долю :
4,06/203,00=0,02.
Ответ: 
= 0,02 (2%).
Молярная концентрация растворённого вещества - молярность - показывает, какое количество растворённого вещества содержится в 1 л раствора (символ - 
; размерность - моль/л).
Молярную концентрацию рассчитывают как отношение количества растворённого вещества 
(моль) в растворе к объёму (л) этого раствора:
.
Количество растворённого вещества находят, зная массу растворённого вещества (г) и молярную массу растворённого вещества 
(г/моль):
(моль).
Сокращённая форма записи единицы молярной концентрации: 
≡ моль/л. Например, 2 раствор - двумолярный раствор – это раствор, в 1л которого содержится 2 моль растворённого вещества, т.е. 
= 2 моль/л.
Пример 2. Рассчитайте массу растворённого вещества в
300 мл 1,36 раствора сульфата меди (II).
Дано: Решение:
= 300 мл = 0,3 л 1. Найдем количество сульфата меди (II) 
=1,36 моль/л в 300 мл 1,36 раствора:
- ? 
2. Рассчитаем молярную массу вещества:
.
3. Рассчитаем массу вещества:
Ответ: 
Молярная концентрация эквивалентов вещества - нормальность, нормальная или эквивалентная концентрация - показывает, какое количество эквивалентов растворённого вещества содержится в 1 л раствора (символ – 
, размерность – моль/л; сокращённое обозначение единицы - 
≡ моль/л).
Молярная концентрация эквивалентов вещества - отношение количества эквивалентов вещества к объему раствора (л):
.
Количество эквивалентов вещества рассчитывают как отношение его массы к молярной массе эквивалентов:
.
Молярная масса эквивалентов вещества 
- масса одного моля эквивалентов этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности 
на молярную массу вещества :
.
В реакциях ионного обмена, протекающих с участием кислот и оснований, фактор эквивалентности вычисляется с учетом числа вступающих в реакцию катионов водорода кислоты или ионов гидроксила основания, т. е. 
находят по формуле 
, где 
- число катионов водорода 
или число гидроксильных групп 
, участвующих в кислотно-основной реакции.
Например, в реакциях, выражаемых уравнениями:
молярная масса эквивалентов ортофосфорной кислоты и гидроксида натрия равна их молярной массе 
, т.к. в реакции участвует один катион и одна группа :
;
.
Молярная масса эквивалентов гидроксида алюминия и серной кислоты равна 
их молярной массы 
из–за участия в реакции двух групп 
и двух катионов 
:
;
Фактор эквивалентности при вычислении молярной массы эквивалентов соли равен:
Так, молярная масса эквивалентов фосфата кальция равна
.
Массу вещества в растворе находят по формуле:
. (2.6)
Молярную концентрацию эквивалентов выражают в тех же единицах, что и молярную концентрацию (в моль/дм3 или в моль/л). Например, 
= 0,1 моль/л.
При использовании сокращенного обозначения молярной концентрации эквивалентов (нормальности) 
необходимо указать фактор эквивалентности. Например, 
.
Использование термина «нормальная концентрация» имеет смысл, когда фактор эквивалентности меньше единицы. В тех случаях, когда 
, надо пользоваться термином «молярная концентрация». Например, вместо 
следует писать 
Перевод молярной концентрации эквивалентов в молярную концентрацию и обратно осуществляют по формуле:
. (2.7)
Пример 3. Рассчитайте молярную концентрацию эквивалентов сульфата железа (III) в растворе, полученном при растворении 60 г 
в 240 мл воды. Плотность раствора 1,181 г/мл.
Дано: Решение:
1. Найдём массу воды:
т.к. 
то 
2. Найдём массу раствора:
3. Найдём объём раствора:
4. Рассчитаем молярную массу эквивалентов 
;
5. Найдём количество эквивалентов вещества в растворе:
.
6. Рассчитаем молярную концентрацию эквивалентов 
:
Ответ: 3,543 моль/л.
Моляльная концентрация вещества - моляльность - показывает, какое количество растворённого вещества приходит-
ся на 1 кг растворителя (символ 
; размерность - моль/кг); сокращенное обозначение единицы – 
≡ моль/кг.
Моляльность вещества - 
- рассчитывают как отношение количества вещества в растворе 
к массе растворителя 
в этом растворе:
Массу растворителя можно найти, зная массу всего раствора 
и массу растворённого вещества 
:
Пример 4. Рассчитайте моляльность раствора cульфата железа (III), приведенного в примере 3.
Дано: Решение:
1. Найдём массу растворителя:
учитывая, что 
находим
2. Найдём количество 
:
3. Рассчитаем моляльную концентрацию сульфата железа (III) в растворе:
.
Ответ: 0,625 моль/кг.
Титр вещества это величина, показывающая, сколько граммов растворённого вещества содержится в 1 мл раствора (символ - 
, размерность - г/мл).
Титр 
рассчитывают как отношение массы растворенного вещества в растворе (г) к объёму этого раствора 
(мл):
Пример 5. Определите титр гидроксида калия в 11 %-ом растворе КОН. Плотность раствора 1,10 г/мл.
Дано: Решение:
Пусть 
масса раствора 
тогда по
определению массовой доли 
1. Найдём объём 100 г раствора
2. Рассчитаем титр КОН:
Ответ: 0,12 г/мл.
Мольная доля растворённого вещества (символ - 
, безразмерная величина) показывает, какую часть от суммарного количества всех веществ, входящих в состав раствора, составляет количество вещества :
, где 
.
Пример 6. Рассчитайте мольную долю каждого вещества в
11 %-м растворе КОН.
Дано: Решение:
В 100 г раствора масса гидроксида калия
; масса воды 
1. Найдём молярные массы веществ:
2. Найдём количества веществ в растворе:
3. Рассчитаем мольные доли веществ:
,
.
Сумма мольных долей всех веществ раствора равна единице
.
Ответ: 
Зная значение одной из концентраций, можно рассчитать все остальные виды концентраций. Для такого пересчёта концентраций необходимо выбрать определённое количество раствора или растворителя. Если известны 
, или , удобнее взять для расчётов 1 л (1000 мл) раствора, для 
- 100 г раствора, а для - 1 кг растворителя. Для растворенного вещества следует рассчитать 
для растворителя - 
а для раствора в целом - 
Пример 7. Плотность 
раствора 
равна 
. Для растворенного вещества карбоната калия рассчитайте все известные концентрации.
Дано: Решение:
Моляльная концентрация
равна 
. Тогда на 
| растворителя приходится 
|
| , и для пересчёта концентраций
|
| удобно принять массу растворителя |
| 
|
| Количество карбоната калия по определению моляльной концентрации равно  .
|
1. Рассчитаем молярную массу :
2. Рассчитаем молярную массу эквивалентов :
3. Найдём массу растворённого вещества:
4. Найдём количество эквивалентов в растворе:
5. Найдём массу раствора:
6. Найдём объем раствора:
7. Определим количество вещества растворителя в растворе:
8. Найдём о6щее количество всех веществ в растворе:
Таким образом, мы определили все необходимые для расчетов характеристики:
- для растворённого вещества:
;
;
;
- для растворителя:
;
;
- для раствора в целом:
;
Подставим найденные значения в формулы для расчета концентрации:
Ответ: 
Приготовить водный раствор какого-либо вещества можно в результате одной из следующих операций:
1) растворения безводного вещества в воде;
2) растворения кристаллогидрата в воде;
3) разбавления более концентрированного раствора;
4) смешения растворов разных концентраций и т.д.
Для приготовления раствора заданной концентрации необходимо произвести соответствующие расчёты.
Пример 8. Сколько граммов кристаллогидрата 
и воды необходимо взять для приготовления
500 г раствора с массовой долей 
0,13?
Дано: Решение:
1.Найдём массу в 500 г 13%-ного
раствора:
2. Рассчитаем молярную массу 
:
3. Найдём количество в растворе:
4. Из формулы видно, что при растворении 1 моль кристаллогидрата образуется 1 моль , т.е.
5. Найдём молярную массу кристаллогидрата:
6. Найдём массу , необходимого для приготовления раствора:
7. Найдём массу воды, необходимой для приготовления раствора:
Ответ: 119 г и 381 г 
.
Пример 9. Сколько миллилитров 96%-го раствора серной кислоты с плотностью 1,84 г/мл потребуется для приготовления
2 л 0,25 М раствора?
Дано: Решение:
| Имеется раствор: | 1 .Найдём массу серной кислоты, |
| содержащейся в 2 л 0,25 М раствора: |
| 
|
| Требуется приготовить раствор: | 
|
| 2. Найдём массу 96%-го раствора, |
 
| содержащего столько же растворённого вещества: |
| 
|
3. Найдём объём 96%-го раствора, содержащего 51 г серной кислоты:
Ответ: 28 мл.
Пример 10. Сколько миллилитров концентрированного раствора соляной кислоты с плотностью 1,18 г/мл следует добавить к 500 мл 5 %-го раствора с плотностью 1,025 г/мл, чтобы концентрация 
в растворе возросла до 10 %?
Дано: Решение:
 1-й раствор:
| Для полученного раствора: |
| 
|
| 
|
| 1. Определим для 1-го раствора: a) массу раствора: |
| 2-й раствор: | 
|
| b) массу растворённого вещества: |
| 
|
| Полученный 3-й раствор: | 2. Обозначим объём добавленного (2-го) раствора за 
|
 
|  .
|
| 3. Выразим для 2-го раствора: |
| а) массу раствора: |
b) массу растворённого вещества:
4. Выразим для полученного раствора:
а) массу раствора:
b) массу растворённого вещества:
5. Запишем выражение для массовой доли полученного раствора:
Отсюда, решая уравнение, получаем: 
т.е. 
Ответ: 