Лабораторная работа № КСЕ-08

ИЗУЧЕНИЕ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ СОЛЕЙ

Цель работы:

1. Ознакомиться с явлениями, происходящими при растворении веществ.

2. Изучить основные понятия, характеризующие растворы.

3. Научиться изготавливать водные растворы солей с заданной массовой долей растворённого вещества:

1) из чистого вещества;

2) из другого раствора.

Теоретическое введение

Вода в нашей жизни самое обычное и весьма распространённое вещество на Земле. Химическая формула воды H₂O (оксид водорода). Вода представляет собой бесцветную (в толстом слое голубую) жидкость без вкуса и запаха, плотность (при температуре 4 ^оС) равна 1000кг/м³, температура кипения (при нормальном атмосферном давлении 101,3 кПа) – 100 ^оС, температура кристаллизации – 0 ^оС.

В том или ином виде вода находится повсюду. Она заполняет впадины земной поверхности, образуя океаны и моря. Громадными массами снега и льда покрывает полюса Земли и вершины высоких гор. Водяные пары всегда присутствуют в воздухе. Собираясь в мельчайшие капли, вода образует облака, из которых выпадают дожди. Однако природная вода всегда содержит примеси различных других веществ, т. е. образует водные растворы.

В общем случае раствором называется твёрдая или жидкая гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Всякий раствор состоит из растворённого вещества (или веществ) и растворителя, т.е. среды, в которой это вещество равномерно распределяется. Наиболее важным видом растворов являются те, в которых в качестве растворителя используется жидкость, поэтому ознакомимся с явлениями, происходящими при растворении веществ на примере водных растворов.

При внесении вещества (например, кристалла соли) в воду (растворитель) от его поверхности начинают отрываться отдельные молекулы, которые в результате диффузии равномерно распределяются по всему объёму растворителя. Отделение молекул вызывается, во-первых, колебанием молекул растворяемого вещества, во-вторых, притяжением со стороны молекул растворителя. Этот процесс называется растворением, и должен бы был продолжаться до полного исчезновения кристаллов. Однако наряду с растворением в жидкости происходит обратный процесс – кристаллизация. Перешедшие в раствор молекулы, ударяясь о поверхность ещё не растворившегося вещества, снова притягиваются к нему и входят в состав кристаллов. Через некоторое время скорость растворения вещества становится равной скорости кристаллизации, т.е. в жидкости устанавливается динамическое равновесие.

Раствор, находящийся в равновесии, называют насыщенным, при этом данное вещество при заданной температуре уже больше не растворяется растворителем. Если растворение вещества ещё может происходить, то раствор называют ненасыщенным. Растворы с низким содержанием растворенного вещества называют разбавленными, с высоким – концентрированными.

Растворимость вещества показывает, какая масса данного вещества может раствориться в определённом объёме воды при данной температуре, чтобы водный раствор стал насыщенным.

Растворимость веществ различна. Их разделяют на растворимые вещества и практически нерастворимые (таблица 8.1).

Таблица 8.1 – Примеры растворимость различных веществ в воде

При использовании растворов очень важно знать, сколько растворённого вещества содержится в данном растворе. По способу выражения содержания растворённого вещества в растворе различают долевой способ (массовая доля, мольная доля, объёмная доля) и концентрационный способ (молярная концентрация, моляльная концентрация, нормальная концентрация).

Массовая доля растворённого вещества w – это отношение массы вещества (в кг) к массе раствора (в кг)

; [w] = 100%,

где .

Мольная доля растворённого вещества χ – это отношение количества вещества (в моль) к сумме количеств всех веществ (в моль), находящихся в растворе

; [χ] = 100%.

Объёмная доля растворённого вещества j – это отношение объёма вещества (в литрах) к объёму раствора (в литрах)

; [j] = 100%,

Молярная концентрация С_М – это отношение количества растворённого вещества (в моль) к объёму раствора (в литрах)

; [С_М] = моль/л.                                          (8.1)

Моляльная концентрация С_b – это отношение количества растворённого вещества (в моль) к массе растворителя (в кг)

; [С_b] = моль/кг.                                          (8.2)

Описание оборудования и метода измерения

Для проведения опытов понадобятся:

1. Химические стаканы на 100 и 250 мл. В химических стаканах проводят смешивание веществ для осуществления химических реакций.

2. Мерные цилиндры на 100 и 250 мл. С помощью мерных цилиндров отмеряют необходимый объём воды.

3. Фарфоровая ложечка, стеклянная палочка. С помощью фарфоровой ложечки берут твёрдые реактивы из банки, а с помощью стеклянной палочки перемешивают растворы.

4. Банка с реактивом (соль NaCl).

5. Колба с растворителем (дистиллированная вода H₂O).

6. Ареометр.

С помощью ареометра определяют плотность растворов. Ареометр представляет собой поплавок с узкой трубкой, на которую нанесена шкала, проградуированная в единицах плотности (рисунок 8.1). Внутри поплавка насыпана дробь. Принцип действия ареометра основан на законе Архимеда. На погруженный в раствор ареометр действуют две силы – сила тяжести  и сила Архимеда (выталкивающая сила) . В состоянии покоя эти две силы уравновешивают друг друга, то есть выполняется условие

,

где r_р-ра – плотность раствора;

      m – масса ареометра;

      V – объём вытесненной жидкости.

Таким образом, объём вытесненной ареометром жидкости обратно пропорционален плотности раствора, то есть в растворы с различной плотностью ареометр погружается на разную глубину.

Определение плотности раствора с помощью ареометра осуществляют следующим образом. Ареометр помещают в стакан с раствором, при этом он не должен касаться дна и стенок стакана, а уровень жидкости должен находить в пределах шкалы ареометра, и считывают показания по шкале (показания следует снимать по нижнему краю мениска, так как раствор соли является прозрачным).

Опыт 1. Приготовление водного раствора соли NaCl с заданной массовой долей w% из чистого вещества.

Для приготовления водного раствора соли NaCl с заданной массовой долей w% из чистого вещества необходимо к данной массе соли добавить определённое количество воды (рисунок 8.2).

Чтобы рассчитать необходимое количество воды воспользуемся определением плотности вещества

.

Так как водный раствор образуется при смешивании вещества с водой, то масса раствора равна

,

откуда масса воды

.                                             (8.3)

Массу раствора можно определить, зная массовую долю раствора

.                            (8.4)

Тогда, подставляя формулу (8.4) в выражение (8.3), получим

,

а, следовательно,

.                               (8.5)

Для того, чтобы рассчитать молярную и моляльную концентрации, необходимо определить количество  используемого вещества (соли NaCl)

,

где М(NaCl) =23 + 36 = 59 г/моль – молярная масса соли NaCl.

Молярная и моляльная концентрации раствора могут быть определены по формулам (8.1) и (8.2).

Опыт 2. Приготовление водного раствора соли NaCl с заданной массовой долей w₂% из более концентрированного раствора с массовой долей w₁%.

Для приготовления разбавленного водного раствора соли NaCl с заданной массовой долей w₂% необходимо к концентрированному раствору с массовой долей w₁% добавить определённое количество воды (рисунок 8.3).

В результате этого масса растворённого вещества не изменяется, а массовая доля растворённого вещества уменьшается.

Чтобы определить необходимое количество воды нужно

,

где V₁, V₂ – объёмы растворов.

Так как объём концентрированного раствора V₁ известен, то необходимо рассчитать объём получаемого раствора V₂.

Для этого дважды воспользуемся формулой для рассчёта массовой доли вещества, учитывая, что масса растворённого вещества не изменяется

,                           (8.6)

.                          (8.7)

Приравнивая левые части формул (8.6) и (8.7) и учитывая, что ; , получим

.

Тогда

.                               (8.8)

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

Опыт 1. Приготовление водного раствора соли NaCl с заданной массовой долей w% из чистого вещества.

1. Получите у преподавателя задание (массовую долю раствора соли).

2. Возьмите взвешенную на технохимических весах данную массу соли (m_NaCl =  10 г) и высыпьте её в химический стакан на 250 мл.

3. Рассчитайте массу получаемого раствора, используя формулу (8.4), данные расчета занесите в таблицу 8.2.

4. Рассчитайте объём воды, необходимой для получения раствора с заданной массовой долей, используя формулу (8.5), данные расчета занесите в таблицу 8.2.

5. Отмерьте цилиндром необходимый объём воды и влейте его в стакан с солью.

6. Перемешайте содержимое стакана стеклянной палочкой до полного растворения соли.

7. Перелейте полученный раствор в мерный цилиндр и определите объём раствора, данные занесите в таблицу 8.2.

8. При помощи ареометра определите плотность полученного раствора , данные занесите в таблицу 8.2.

Таблица 8.2 – Таблица экспериментальных и рассчетных данных

9. По таблице 8.3 определите теоретическое значение плотности раствора с заданной массовой долей .

Таблица 8.3 – Массовая доля w и плотность r растворов соли NaCl при 20 ^оС

10. Сравните полученные данные r_экс и r_теор.

11. Рассчитайте молярную С_М и моляльную С_b концентрации растворов. Данные расчётов занесите в таблицу 8.2.

Опыт 2. Приготовление водного раствора соли NaCl с заданной массовой долей w₂% из более концентрированного раствора с массовой долей w₁%.

1. Получите у преподавателя задание (массовую долю получаемого раствора и объём концентрированного раствора соли).

2. Отмерьте цилиндром заданный объём концентрированного раствора соли и влейте его в химический стакан на 250 мл.

3. Рассчитайте объём воды, необходимой для получения раствора с заданной массовой долей, используя формулу (8.8), плотности растворов r₁ и r₂ определите по таблице 8.3.

4. Отмерьте цилиндром необходимый объём воды и влейте его в стакан с концентрированным раствором.

5. Тщательно перемешайте содержимое стакана стеклянной палочкой.

6. При помощи ареометра определите плотность полученного раствора .

7. Сравните полученное значение с табличным =r₂.

8. На основании полученных данных сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Дать определение раствора, назвать его составляющие.

2. Охарактеризовать процессы, происходящие при растворении вещества.

3. Дать определение насыщенного и ненасыщенного раствора.

4. Охарактеризовать один из природных растворителей веществ –воду.

5. Дать определение растворимости вещества. Привести примеры различной растворимости веществ.

6. Дать определение величин, характеризующих долевой способ выражения содержания вещества (массовая доля, мольная доля, объёмная доля).

7. Дать определение величин, характеризующих концентрационный способ выражения содержания вещества (молярная концентрация, моляльная концентрация, нормальная концентрация).

Список рекомендуемой литературы

1. Глинка, Н.Л. Общая химия: учеб. пособие для вузов / Н.Л. Глинка; под ред. А.И. Ермакова – 30-е изд. – М.: Интеграл-Пресс, 2004. – 727 с. – § 7.2

2. Концепции современного естествознания: Курс лекций для студентов гуманитарных специальностей. Часть 5. Химические системы, Гл. 12. Химическое строение веществ. Закономерности химических реакций / БГИТА; Сост. К.Н. Евтюхов. – Брянск, 2008. – 41 с.