Теория электролитической диссоциации (работа 1)

Теория электролитической диссоциации

Концентрация растворов.

Способы выражения концентрации растворов.

Существуют различные способы выражения состава раствора. Наиболее часто используют массовую долю растворённого вещества, молярную и нормальную концентрацию.

Массовая доля растворённого вещества w(B) - это безразмерная величина, равная отношению массы растворённого вещества к общей массе раствора m :

w(B)= m(B) / m

Массовую долю растворённого вещества w(B) обычно выражают в долях единицы или в процентах. Например, массовая доля растворённого вещества - CaCl_>2> в воде равна 0,06 или 6%. Это означает,что в растворе хлорида кальция массой 100 г содержится хлорид кальция массой 6 г и вода массой 94 г.

Пример.

Сколько грамм сульфата натрия и воды нужно для приготовления 300 г 5% раствора?

Решение.

m(Na_>2>SO_>4>) = w(Na_>2>SO_>4>) / 100 = (5 • 300) / 100 = 15 г

где w(Na_>2>SO_>4>) - массовая доля в %,

m - масса раствора в г

m(H_>2>O) = 300 г - 15 г = 285 г.

Таким образом, для приготовления 300 г 5% раствора сульфата натрия надо взять 15 г Na_>2>SO_>4> и 285 г воды.

Молярная концентрация C(B) показывает, сколько моль растворённого вещества содержится в 1 литре раствора.

C(B) = n(B) / V = m(B) / (M(B) • V),

где М(B) - молярная масса растворенного вещества г/моль.

Молярная концентрация измеряется в моль/л и обозначается "M". Например, 2 M NaOH - двухмолярный раствор гидроксида натрия. Один литр такого раствора содержит 2 моль вещества или 80 г (M(NaOH) = 40 г/моль).

Пример.

Какую массу хромата калия K_>2>CrO_>4> нужно взять для приготовления 1,2 л 0,1 М раствора?

Решение.

M(K_>2>CrO_>4>) = C(K_>2>CrO_>4>) • V • M(K_>2>CrO_>4>) = 0,1 моль/л • 1,2 л • 194 г/моль  23,3 г.

Таким образом, для приготовления 1,2 л 0,1 М раствора нужно взять 23,3 гK_>2>CrO_>4> и растворить в воде, а объём довести до 1,2 литра.

Концентрацию раствора можно выразить количеством молей растворённого вещества в 1000 г растворителя. Такое выражение концентрации называют молярностью раствора.

Нормальность раствора обозначает число грамм-эквивалентов данного вещества в одном литре раствора или число миллиграмм-эквивалентов в одном миллилитре раствора.

Грамм - эквивалентом вещества называется количество граммов вещества, численно равное его эквиваленту. Для сложных веществ - это количество вещества, соответствующее прямо или косвенно при химических превращениях 1 грамму водорода или 8 граммам кислорода.

Э_{>основания}> = М_{>основания}> / число замещаемых в реакции гидроксильных групп

Э_{>кислоты}> = М_{>кислоты}> / число замещаемых в реакции атомов водорода

Э_>соли> = М_>соли> / произведение числа катионов на его заряд

Пример.

Вычислите значение грамм-эквивалента (г-экв.) серной кислоты, гидроксида кальция и сульфата алюминия.

Э H_>2>SO_>4> = М H_>2>SO_>4> / 2 = 98 / 2 = 49 г

Э Ca(OH)_>2> = М Ca(OH)_>2> / 2 = 74 / 2 = 37 г

Э Al_>2>(SO_>4>)_>3> = М Al_>2>(SO_>4>)_>3> / (2 • 3) = 342 / 2= 57 г

Величины нормальности обозначают буквой "Н". Например, децинормальный раствор серной кислоты обозначают "0,1 Н раствор H_>2>SO_>4>". Так как нормальность может быть определена только для данной реакции, то в разных реакциях величина нормальности одного и того же раствора может оказаться неодинаковой. Так, одномолярный раствор H_>2>SO_>4> будет однонормальным, когда он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата NaHSO_>4>, и двухнормальным в реакции с образованием Na_>2>SO_>4>.

Пример.

Рассчитайте молярность и нормальность 70%-ного раствора H_>2>SO_>4> ( = 1,615 г/мл).

Решение.

Для вычисления молярности и нормальности надо знать число граммов H_>2>SO_>4> в 1 л раствора. 70% -ный раствор H_>2>SO_>4> содержит 70 г H_>2>SO_>4> в 100 г раствора. Это весовое количество раствора занимает объём

V = 100 / 1,615 = 61,92 мл

Следовательно, в 1 л раствора содержится 70 • 1000 / 61,92 = 1130,49 г H_>2>SO_>4>

Отсюда молярность данного раствора равна: 1130,49 / М (H_>2>SO_>4>) =1130,49 / 98 =11,53 M

Нормальность этого раствора (считая, что кислота используется в реакции в качестве двухосновной) равна 1130,49 / 49 =23,06 H

Пересчет концентраций растворов из одних единиц в другие.

При пересчете процентной концентрации в молярную и наоборот, необходимо помнить, что процентная концентрация рассчитывается на определенную массу раствора, а молярная и нормальная - на объем, поэтому для пересчета необходимо знать плотность раствора. Если мы обозначим: с - процентная концентрация; M - молярная концентрация; N - нормальная концентрация; э - эквивалентная масса,  - плотность раствора; m - мольная масса, то формулы для пересчета из процентной концентрации будут следующими:

M = (c • p • 10) / m

N = (c • p • 10) / э

Этими же формулами можно воспользоваться, если нужно пересчитать нормальную или молярную концентрацию на процентную.

Пример.

Какова молярная и нормальная концентрация 12%-ного раствора серной кислоты, плотность которого р = 1,08 г/см³?

Решение.

Мольная масса серной кислоты равна 98. Следовательно,

m(H_>2>SO_>4>) = 98 и э(H_>2>SO_>4>) = 98 : 2 = 49.

Подставляя необходимые значения в формулы, получим:

а) Молярная концентрация 12% раствора серной кислоты равна

M = (12 • 1,08 • 10) / 98 = 1,32 M

б) Нормальная концентрация 12% раствора серной кислоты равна

N = (12 • 1,08 • 10) / 49 = 2,64 H.

Иногда в лабораторной практике приходится пересчитывать молярную концентрацию в нормальную и наоборот. Если эквивалентная масса вещества равна мольной массе (Например, для HCl, KCl, KOH), то нормальная концентрация равна молярной концентрации. Так, 1 н. раствор соляной кислоты будет одновременно 1 M раствором. Однако для большинства соединений эквивалентная масса не равна мольной и, следовательно, нормальная концентрация растворов этих веществ не равна молярной концентрации.

Для пересчета из одной концентрации в другую можно использовать формулы:

M = (N • Э) / m

N = (M • m) / Э

Пример.

Нормальная концентрация 1 М раствора серной кислоты

N = (1 • 98) / 49 = 2 H.

Пример.

Молярная концентрация 0,5 н. Na_>2>CO_>3>

M = (0,5 • 53) / 106 = 0,25 M.

Упаривание, разбавление, концентрирование, смешивание растворов.

Имеется m_>г> исходного раствора с массовой долей растворенного вещества w_>1> и плотностью _>1>.

Упаривание раствора.

В результате упаривания исходного раствора его масса уменьшилась на m г. Определить массовую долю раствора после упаривания w_>2>

Решение.

Исходя из определения массовой доли, получим выражения для w_>1> и w_>2> (w_>2> > w_>1>):

w_>1> = m_>1> / m

(где m_>1> - масса растворенного вещества в исходном растворе)

m_>1> = w_>1> • m

w_>2> = m_>1> / (m - m) = (w_>1> • m) / (m - m)

Пример.

Упарили 60 г 5%-ного раствора сульфата меди до 50 г. Определите массовую долю соли в полученном растворе.

m = 60 г; m = 60 - 50 = 10 г; w_>1> = 5% (или 0,05)

w_>2> = (0,05 • 60) / (60 - 10) = 3 / 50 = 0,06 (или 6%-ный)

Концентрирование раствора.

Какую массу вещества (X г) надо дополнительно растворить в исходном растворе, чтобы приготовить раствор с массовой долей растворенного вещества w_>2>?

Решение.

Исходя из определения массовой доли, составим выражение для w_>1> и w_>2>:

w_>1> = m_>1> / m_>2>,

(где m_>1> - масса вещества в исходном растворе).

m_>1> = w_>1> • m

w_>2> = (m_>1>+x) / (m + x) = (w_>1> • m + x) / (m+x)

Решая полученное уравнение относительно х получаем:

w_>2> • m + w_>2> • x = w_>1> • m + x

w_>2> • m - w_>1> • m = x - w_>1> • x

(w_>2> - w_>1>) • m = (1 - w_>2>) • x

x = ((w_>2> - w_>1>) • m) / (1 - w_>2>)

Пример.

Сколько граммов хлористого калия надо растворить в 90 г 8%-ного раствора этой соли, чтобы полученный раствор стал 10%-ным?

m = 90 г

w_>1> = 8% (или 0,08), w_>2> = 10% (или 0,1)

x = ((0,1 - 0,08) • 90) / (1 - 0,1) = (0,02 • 90) / 0,9 = 2 г

Смешивание растворов с разными концентрациями.

Смешали m_>1> граммов раствора №1 c массовой долей вещества w_>1> и m_>2> граммов раствора №2 c массовой долей вещества w_>2>. Образовался раствор (№3) с массовой долей растворенного вещества w_>3>. Как относятся друг к другу массы исходных растворов?

Решение.

Пусть w_>1> > w_>2>, тогда w_>1> > w_>3> > w_>2>. Масса растворенного вещества в растворе №1 составляет w_>1> • m_>1>, в растворе №2 - w_>2> • m_>2>. Масса образовавшегося раствора (№3) - (m_>1> - m_>2>). Сумма масс растворенного вещества в растворах №1 и №2 равна массе этого вещества в образовавшемся растворе (№3):

w_>1> • m_>1> + w_>2> • m_>2> = w_>3> • (m_>1> + m_>2>)

w_>1> • m_>1> + w_>2> • m_>2> = w_>3> • m_>1> + w_>3> • m_>2>

w_>1> • m_>1> - w_>3> • m_>1> = w_>3> • m_>2> - w_>2> • m_>2>

(w_>1>- w_>3>) • m_>1> = (w_>3>- w_>2>) • m_>2>

m_>1> / m_>2> = (w_>3> - w_>2> ) / (w_>1>- w_>3>)

Таким образом, массы смешиваемых растворов m_>1> и m_>2> обратно пропорциональны разностям массовых долей w_>1> и w_>2> смешиваемых растворов и массовой доли смеси w_>3>. (Правило смешивания).

Для облегчения использования правила смешивания применяют правило креста :

m_>1> / m_>2> = (w_>3> - w_>2>) / (w_>1> - w_>3>)

Для этого по диагонали из большего значения концентрации вычитают меньшую, получают (w_>1> - w_>3>), w_>1> > w_>3> и (w_>3> - w_>2>), w_>3> > w_>2>. Затем составляют отношение масс исходных растворов m_>1> / m_>2> и вычисляют.

Пример.

Определите массы исходных растворов с массовыми долями гидроксида натрия 5% и 40%, если при их смешивании образовался раствор массой 210 г с массовой долей гидроксида натрия 10%.

5 / 30 = m_>1> / (210 - m_>1>)

1/6 = m_>1> / (210 - m_>1>)

210 - m_>1> = 6m_>1>

7m_>1> = 210

m_>1> =30 г; m_>2> = 210 - m_>1> = 210 - 30 = 180 г

Разбавление раствора.

Исходя из определения массовой доли, получим выражения для значений массовых долей растворенного вещества в исходном растворе №1 (w_>1>) и полученном растворе №2 (w_>2>):

w_>1> = m_>1> / (_>1> • V_>1>) откуда V_>1>= m_>1> /( w_>1> • _>1>)

w_>2> = m_>2> / (_>2> • V_>2>)

m_>2> = w_>2> • _>2> • V_>2>

Раствор №2 получают, разбавляя раствор №1, поэтому m_>1> = m_>2>. В формулу для V_>1> следует подставить выражение для m_>2>. Тогда

V_>1>= (w_>2> • _>2> • V_>2>) / (w_>1> • _>1>)

m_>2> = w_>2> • _>2> • V_>2>

или

w_>1> • _>1> • V_>1> = w_>2> • _>2> • V_>2>
m_{>1(раствор)}> m_{>2(раствор)}>

m_{>1(раствор)}> / m_{>2(раствор)}> = w_>2> / w_>1>

При одном и том же количестве растворенного вещества массы растворов и их массовые доли обратно пропорциональны друг другу.

Пример.

Определите массу 3%-ного раствора пероксида водорода, который можно получить разбавлением водой 50 г его 3%-ного раствора.

m_{>1(раствор)}> / m_{>2(раствор)}> = w_>2> / w_>1>

50 / x = 3 / 30

3x = 50 • 30 = 1500

x = 500 г

Последнюю задачу можно также решить, используя "правило креста":

3 / 27 = 50 / x

x = 450 г воды

450 г + 50 г = 500 г

Список литературы

Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа