Основные определения и термины

Имея дело с растворами, удобно называть один из компонентов растворителем, а другие компоненты – растворенными веществами. Рассмотрим пример: при смешении хлорида натрия (твердое вещество) с водой получается жидкий раствор. Поэтому вода – растворитель, хлорид натрия – растворенное вещество.

Таким образом, растворителем называют компонент раствора, сохраняющий свое физическое состояние при образовании раствора. Если все компоненты раствора до перемешивания находятся в одинаковой фазе, растворителем называют тот компонент, который содержится в наибольшем количестве; остальные вещества называют растворенными веществами. Растворимость твердых веществ с повышением температуры большей частью увеличивается.

Под концентрацией понимают количество вещества, растворенного в заданном объеме раствора или растворителя. Концентрацию раствора можно охарактеризовать качественно и количественно. Для качественного описания концентрации используются такие понятия, как разбавленный, концентрированный, ненасыщенный, насыщенный и пересыщенный раствор.

Мерой растворимости вещества служит его концентрация его насыщенного раствора при данной температуре. Количественно растворимость принято выражать числом граммов вещества, которое при данной температуре можно растворить в 100 г растворителя. Это число называется коэффициентом растворимости или растворимостью вещества. Например, растворимость NaCl в воде при 20 ^оС составляет 36,0 г. Если при этой температуре в указанный раствор добавить еще некоторое количество NaCl, то добавленный избыток не растворится, а останется в виде осадка. Такой раствор называется насыщенным.

Раствор, содержащий растворимое вещество в меньшем количестве, чем его содержится в насыщенном растворе (меньше, чем его растворимость), называется ненасыщенным. Пересыщенный раствор – раствор, в котором растворено количество вещества больше, чем его растворимость.

О растворе с низкой концентрацией растворенного вещества принято говорить, как о разбавленном. Концентрированный раствор – раствор с высоким содержанием растворенного вещества.

Растворы характеризуются молярной концентрацией, молярной, массовой, объемной долей растворимого вещества.

В химических расчетах чаще всего применяется молярная концентрация. Молярную концентрацию раствора определяют как количество вещества, моль, растворенного в литре раствора:

. (3.1)

Единица молярной концентрации – моль/л.

Молярная доля компонента раствора определяется уравнением

. (3.2)

Массовая доля – отношение массы растворенного вещества к объему раствора. Математическое определение массовой доли компонента раствора дается уравнением

. (3.3)

Объемная доля – количество объемов растворенного вещества в 100 объемах раствора. Например, указано, что растворимость водорода равна 0,0125; это означает, что в 100 л раствора содержится 0,0125 л водорода, или 12,5 мл.

Единицы молярной, массовой, объемной доли – %, ‰, млн^–1.

Для обозначения молярной доли раствора обычно используется символ Х с индексом, указывающим компонент, о котором идет речь. Например, молярная доля НСl в растворе соляной кислоты записывается как Х _НС1. Сумма молярных долей всех компонентов раствора должна быть равна единице.

Моляльность определяется как количество растворенного вещества в килограмме растворителя.

. (3.4)

Единица моляльности – моль/кг.

Иногда концентрацию раствора выражают через его плотность. Определенной плотности раствора чистого вещества при данной температуре соответствует определенное (известное) содержание вещества в нем. Например, раствор серной кислоты пл. 1,170 г/см³ при 20 ^оС содержит 24 % H₂SO₄. для определения концентрации раствора по его плотности пользуются справочными таблицами (прил. 1).

Зная плотность раствора, по справочнику находят долю растворенного вещества в нем. Вычисляют концентрацию раствора.

Для перехода от массы к объему можно воспользоваться формулой

V = m / d, (3.6)

где V, m, d – соответственно объем, масса и плотность.

Вопросы для самостоятельной подготовки и контроля

1. Что такое растворитель? Растворенное вещество?

2. Как меняется растворимость большинства твердых веществ с повышением температуры?

3. Какие растворы называются насыщенными, ненасыщенными и пересыщенными?

4. Объясните, какие растворы называют разбавленными и концентрированными.

5. Что такое концентрация раствора? Как можно выразить концентрацию раствора?

6. Дайте определение массовой и объемной доли. Чем отличается массовая доля от объемной?

7. Какие растворы называются молярными?

8. Что означает молярная доля компонента раствора и как она определяется?

9. Что называется плотностью раствора? В каких единицах выражается плотность раствора?

10. Одинакова ли плотность растворов соляной кислоты различной концентрации?

11. Как, зная плотность раствора, определить долю вещества в нем?

Решение типовых задач

Задача 1. В 80 г воды растворено 4 г соли. Определить массу, г, в 100 г раствора и растворимость этой соли.

Решение. Находим массу раствора: 80+4=84 г.

1. Определение массы соли в 100 г раствора:

в 84 г содержится 4 г соли в 100 «х «

2. Определение растворимости соли в 100 г раствора:

80 г воды растворяют 4 г соли 100 г «х «

Задача 2. Вычислить массу и моляльность водного раствора H₂SO₄, плотность которого при 20 ^оС равна 1,303 г/см³.

Решение. По справочной таблице (прил. 1) находим, что такой раствор содержит 40 % H₂SO₄; литр этого раствора весит 1303 г. Для вычисления массы H₂SO₄ составляем пропорцию:

100 г раствора содержат 40 г H2SO4 1303 г «х

г.

Для вычисления моляльности раствора нужно вычислить число граммов H₂SO₄ в 1000 г воды (растворителя). Поскольку дан 40 %-й раствор, 40 г H₂SO₄ содержится в 60 г воды. Отсюда составляем пропорцию:

60 г воды содержат 40 г H2SO4 1000 г «х

.

Так как 1 моль H₂SO₄ равен 98 г и в 1000 г (1 кг) раствора содержится 666,7 г H₂SO₄, то моляльность раствора: 666,7/98=6,8 моль/кг.

Задача 3. В 250 мл раствора гидроксида кальция содержится 3,705 г Са(ОН)₂. Вычислить молярную концентрацию этого раствора.

Решение. Сначала вычислим, сколько граммов содержится
в 1000 мл раствора. Составим пропорцию:

3,075 г Са(ОН)2 содержится в 250 мл х Са(ОН)2 «1000 мл

г.

Молярную концентрацию определяем из следующего соотношения:

74,10 г/л – 1 моль 14,82 г/л – х

моль/л.

Задача 4. Вычислите молярную долю HCl в растворе с массовой долей HCl 36%.

Решение. Допустим, что имеется 100 г раствора. Тогда в растворе должно содержаться 36 г HCl и 64 г Н₂О.

1 л раствора концентрации 1 моль/л содержит 36,5 г HCl х «36 г HCl	.
Масса 1 моль воды раствора 18 г х «64 г	моль/л.

Молярная доля, %, вычисляется по формуле (3.5)

Х _НС1=