Вычисление массы растворенного вещества, содержащегося в определенной массе раствора с известной массовой долей (стр. 2 из 4)

Решение. Пусть NaCl – вещество 1, а вода – 2:

Соли и другие вещества можно растворять в воде как в безводном состоянии, так и в виде кристаллогидратов. Однако массовую долю целесообразно всегда выражать на основе содержания безводного вещества. Когда раствор приготовлен, уже невозможно установить, в каком состоянии было взято вещество для растворения. Чтобы не возникло путаницы, состав раствора должен выражаться единообразно.

Пример 2. В воде массой 80г растворили 20г декагидрата сульфата натрия

Na₂SO₄ 10H₂O. Рассчитайте массовую долю соли в растворе.

Решение. При растворении кристаллогидрата в раствор дополнительно вносится вода. Масса безводного вещества оказывается меньше, чем в примере 1, а масса воды больше. Рассчитаем массу безводного вещества, представив мысленно, что кристаллогидрат теряет воду:

Na₂SO₄ 10H₂O = Na₂SO₄ + 10H₂O

М, г/моль 322 142

m, г 20 8,82

n, моль 0,0621 0,0621

Массу раствора вычислим по балансу, то есть сложим данные массы, так как они полностью пошли на образование раствора.

Получаем:

Рассмотрим решение задачи на повышение концентрации имеющегося раствора.

Пример 3. Какую массу сахара следует добавить к 180г раствора с массовой долей 15%, чтобы повысить массовую долю до 25%.

Решение. При добавлении сахара к раствору увеличивается как масса сахара, так и масса раствора. Сначала найдем имеющуюся массу сахара:

m₀ = m _p-p

Далее вычисляем недостающую массу сахара, которую следует добавить:

m=24

Пример 4. Найдите массу карбоната натрия в растворе объемом 200мл с массовой долей 14%. Плотность раствора 1,146г/мл.

Решение. По формуле:

Массу раствора рассчитывают по данным условия:

m _p-p = Vp

Подставляем численные значения:

m _p-p = 200мл 1,146г/мл =229,2г

m₁ = 229,2г 14%/100% = 32,1г.

При внесении вещества в растворитель может происходить химическая реакция, в результате чего получается раствор нового вещества.

Пример 5. Какую массу натрия следует внести в 1л воды, чтобы получить 20% раствор гидроксида натрия?

Решение. Натрия реагирует с водой, образуя гидроксид натрия и водород:

Na,m=? H₂

На основании данной схемы можно написать уравнение:

В этом уравнении 3 неизвестные массы, но они связаны между собой уравнением химической реакции:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

M, г/моль 23 40 2

n₀, моль 2х 0 0

n_k, моль 0 2х х

m, г 2х 23 2х 40 х 2

Подставляем массы, выраженные через неизвестное х в уравнение:

x=2,81моль

Находим массу натрия: m(Na) = 2 2,81моль 23г/моль = 129г.

Попутно можно отметить, что если бы действительно пришлось осуществлять работу, то натрий можно было бы добавлять лишь малыми порциями во избежание взрыва и пожара.

Молярная концентрация.

В химии не менее широко, чем массовая доля, используется и другой способ выражения концентрации – молярная концентрация.

Молярная концентрация – это отношение количества вещества в растворе к объему раствора:

n(X)

с(Х) = V моль/л

где, с(Х) – молярная концентрация вещества Х. При малой величине молярной концентрации она может быть выражена в Ммоль/л. Молярная концентрация численно равна количеству растворенного вещества в 1л раствора. В контексте молярную концентрацию обычно называют просто концентрацией,

а способ её выражения понятен из единицы измерения.

Для приготовления некоторого объема раствора с заданной молярной концентрацией, рассчитывают необходимую массу вещества, взвешивают и растворяют его, добавляя растворитель до заданного объема.

Пример 6. Как приготовить 2л раствора с концентрацией

с(NaCl) = 0,155 моль/л?

Решение. Рассчитаем массу хлорида натрия, которая будет содержаться в растворе:

m = nM; n = cV.

n = 0,155 моль/л 2л = 0,310 моль; m = 0,310 моль 58,5 г/моль = 18.1г.

Рассчитанную массу вещества, навеску, взвешивают на точных весах. Дальнейшее приготовление раствора показано на схеме:

Одной из важнейших прикладных химических задач является анализ, то есть определение, из каких веществ состоят те или иные растворы, смеси, горные породы, диагностические пробы и т.д. При этом требуется определить и качественный состав, и количественный. Одной из простейших аналитических задач является определение неизвестной концентрации вещества в растворе по другому раствору с известной концентрацией. Соответствующие опыты осуществляются постепенным добавлением одного раствора с известной молярной концентрацией к отмеренному объему анализируемого раствора, то есть титрованием.

Растворители и растворимость.

Среди веществ, составляющих жидкий раствор, обычно не представляет труда указать растворитель. Во-первых, растворитель является средой по отношению к растворенным веществам. Поэтому молекул растворителя в некотором объеме раствора должно быть больше, чем молекул или других структурных единиц растворенных веществ. Во-вторых, растворитель, рассматриваемый как среда, определяет агрегатное состояние раствора: если раствор жидкий, это значит что сама среда жидкая. Растворяя в воде различные твердые вещества, например соли, считают само собой разумеющимся, что получаются водные растворы солей, а не солевые растворы воды.

Наиболее широко применяемым растворителем является вода. Она хорошо растворяет большинство кислот, многие основания, соли, некоторые типы органических веществ. Водные растворы являются распространенными природными системами. Можно сказать и так: в природе вообще нет воды, а есть только водные растворы. Вода как биорастворитель является основой всех жидких сред организмов – цитозолей, крови, межклеточных жидкостей. Для многих типов растений и животных природная вода (водные растворы!) является средой обитания.

Частицы вещества в водных растворах не только распределены среди молекул воды, но и образуют с ней более или менее прочные соединения. Выделение кристаллогидратов из растворов свидетельствует о наличии соединений растворенных веществ с водой и в самих растворах. Безводный сульфат меди CuSO₄ представляет собой белый порошок, а кристаллогидрат

CuSO₄ 5H₂O – синие кристаллы. Такого же цвета и растворы сульфата меди. Из этого ясно, что в растворе сульфат меди соединен с водой.

Кроме воды широко применяются и другие растворители. Характерно, что при обычных условиях вода оказывается почти единственной устойчивой и не опасной в обращении неорганической жидкостью. Поэтому остальные практически используемые растворители – это органические жидкости: углеводороды (гексан С₆Н₁₄, бензол С₆Н₆ и другие), галогенированные углеводороды ( дихлорэтан C₂H₄Cl₂), спирты (метанол CH₃OH, этанол C₂H₅OH), ацетон CH₃COCH₃. Специфический запах многих красок и лаков доказывает, что они приготовлены на органических растворителях. Необходимость применения разнообразных растворителей связана с растворимостью веществ.

Растворимость – это способность данного вещества растворяться в данном растворителе.

Вещество, не растворимое в воде, может оказаться растворимым в каких-либо других жидкостях. Бывает, что человек сталкивается с досадным фактом – на одежде появилось жирное пятно. Оно не выводится при протирании водой. Но ватный тампон, смоченный бензином, вбирает это пятно, так как бензин растворяет жиры. Чаще в быту используют не индивидуальные вещества, а промышленные препараты, представляющие собой смешанные растворители, предназначенные для определенной цели.

Явление растворимости очень сложное и поддается лишь ориентировочному прогнозу. Часто используют достаточно старое правило: подобное растворяется в подобном. В воде растворяются преимущественно другие кислородсодержащие вещества, а также бинарные соли. В органических жидкостях растворяются всевозможные органические вещества. Среди органических веществ можно особо отметить спирты, содержащие углеводородный фрагмент и гидроксил ОН. Из-за наличия гидроксила спирты хорошо растворяются в воде.

Что означают известные суждения о веществах: хорошо растворимо, плохо растворимо, умеренно растворимо? Это можно объяснить на основе понятий ненасыщенных и насыщенных растворов.

Индивидуальное вещество, внесенное в его собственный ненасыщенный раствор, продолжает растворяться. Порция сахара в стакане чая сразу же образует ненасыщенный раствор, концентрация которого продолжает увеличиваться по мере перемешивания чая, пока не растворится весь сахар. Можно добавить еще несколько ложек сахара, и он тоже растворится. Менее растворима пищевая соль. Если взять 200г 20%-го раствора хлорида натрия и внести в него еще 20г этой соли, то через некоторое время останется небольшое количество осадка – 2,4г, который уже не растворяется. Образовался раствор с максимальной концентрацией данного вещества, и растворение прекратилось. Этот раствор называется насыщенным. Можно сделать дополнительное исследование. К полученному раствору добавить еще 10г (или любую другую массу) хлорида натрия. Осадка становится 12,4г, и масса его далее не меняется. Следовательно, масса растворившегося вещества не зависит от массы осадка. Из этого делаем вывод, что раствор с максимальной концентрацией растворенного вещества, находится в равновесии с тем же веществом в индивидуальном состоянии. В этом и состоит сущность насыщения. По концентрации такого раствора можно судить о растворимости вещества.