Дисперсные системы: Часть 2

Видео

Конспект

Теперь обратимся к способам выражения концентрации, понятию, определяющему количественный состав растворов. Концентрация – это мера, отражающая соотношение между двумя или более компонентами в растворе, как правило, между растворенным веществом и растворителем.

Среди множества способов выражения концентрации наиболее важными являются массовая доля и молярная концентрация.

Начнем с массовой доли, обозначаемой греческой буквой омега ($\omega$). Формула для расчета массовой доли такова: $$

\omega = \frac{масса растворенного вещества}{масса раствора} \cdot 100%

$$

Масса раствора представляет собой сумму масс всех компонентов. Умножение на 100% позволяет выразить концентрацию в процентах, что делает ее наглядной и широко используемой. Такая концентрация также известна как процентная концентрация.

Вторым важным способом выражения концентрации является молярная концентрация, обозначаемая буквой $C$ (иногда $m$). Молярная концентрация определяется как отношение количества растворенного вещества ($n$) к объему раствора ($V$): $$

C = \frac{n}{V}

$$

Единицей измерения молярной концентрации является моль на литр (моль/л). На этикетках с растворами часто указывается молярная концентрация, например, <<2M HCl>>, что означает двухмолярный раствор хлороводорода. Это указывает на то, что в одном литре раствора содержится 2 моля $HCl$.

Выбор способа выражения концентрации зависит от конкретной задачи. Умение пересчитывать концентрации из одной формы в другую необходимо для решения различных химических (и не только) задач. Молярная концентрация особенно удобна в тех случаях, когда необходимо отмерить определенный объем раствора с помощью пипетки или бюретки, поскольку позволяет точно знать количество растворенного вещества. Она также часто используется в титровании. В то время как процентная концентрация широко применяется, ее использование в титровании может быть менее удобным, поскольку требует пересчета объема в массу с учетом плотности раствора.

Прежде чем перейти к примерам задач, стоит упомянуть о кристаллогидратах. Кристаллогидраты – это кристаллические вещества, содержащие в своем составе кристаллизационную воду. Их формулы записываются, например, как $CuSO_4 \cdot 5H_2O$ (медный купорос) или $FeSO_4 \cdot 7H_2O$ (железный купорос). Эти формулы показывают, что на 1 моль сульфата меди приходится 5 моль воды, а на 1 моль сульфата железа – 7 моль воды, хотя вещества являются твердыми и кристаллическими.

Содержание воды в кристаллогидратах может быть различным и даже изменяться для одного и того же вещества в зависимости от условий. Например, при нагревании медного купороса до 200-250 °C, он может превратиться в $CuSO_4 \cdot H_2O$.

В задачах часто встречается условие прокаливания вещества, то есть нагревания его до высокой температуры. При этом кристаллогидрат теряет воду. Если в условии не указано разложение самого вещества, то уменьшение массы связано исключительно с удалением воды.

Следует отметить, что запись формулы кристаллогидрата не всегда отражает реальную структуру. Например, медный купорос в действительности имеет структуру $[Cu(H_2O)_4]SO_4 \cdot H_2O$, где четыре молекулы воды связаны с ионом меди прочно, а сульфат-ион связывает эти частицы, как мостик, в цепи. Наконец, пятая молекула воды соединяет цепи между собой. Аналогично, для сульфата железа более точная формула может быть записана как $[Fe(H_2O)_6]SO_4 \cdot H_2O$. Упрощенные формулы, такие как $CuSO_4 \cdot 5H_2O$, отражают четкое соотношение между количеством молекул воды на формульную единицу.

При прокаливании кристаллогидраты могут терять воду по-разному. Например, при нагревании $CaCl_2 \cdot 6H_2O$ образуется безводный $CaCl_2$, а вся вода удаляется в виде пара: $$

CaCl_2 \cdot 6H_2O\ (тв) \rightarrow CaCl_2\ (тв) + 6H_2O\ (г)

$$

Безводный хлорид кальция часто используется в лаборатории для осушки растворителей и веществ, например, помещая его в эксикатор с сухим хлоридом кальция. После насыщения водой его можно регенерировать прокаливанием.

Однако, поведение других кристаллогидратов при нагревании может отличаться. Например, при нагревании $MgCl_2 \cdot 6H_2O$ происходит пирогидролиз, приводящий к образованию оксихлорида магния: $$

2MgCl_2 \cdot 6H_2O\ (тв) \rightarrow Mg_2OCl_2\ (тв) + 2HCl\ (г) + 10H_2O\ (г)

$$

Это соединение можно представить как $MgO \cdot MgCl_2$, где часть хлорида магния переходит в оксид.

Задача 1

Условие

Рассчитать массовую долю сульфата меди (II) в растворе, который был получен путем растворения 10 г пентагидрата сульфата меди (II) в 100 г воды.

Решение

При растворении пентагидрата сульфата меди (II), формула которого выражается как $CuSO_4 \cdot 5H_2O$, вся вода, входящая в состав кристаллической структуры гидрата, переходит в раствор.

Массовая доля, которую мы определяем в растворе, рассчитывается исходя из безводной соли, то есть без учета пяти молекул воды, входящих в состав пентагидрата.

Запишем формулу для расчета массовой доли безводного сульфата меди (II): $$

\omega(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{m(раствора)} \cdot 100%.

$$

Рассчитаем $m(CuSO_4)$: $$

m(CuSO_4) = n(CuSO_4) \cdot M(CuSO_4),

$$ $$

n(CuSO_4) = n(CuSO_4 \cdot 5H_2O)

$$ $$

n(CuSO_4 \cdot 5H_2O) = \frac{m(CuSO_4 \cdot 5H_2O)}{M(CuSO_4 \cdot 5H_2O)},

$$

Подставляя данное выражение в формулу для массы $CuSO_4$, получаем: $$

m(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4 \cdot 5H_2O)}{M(CuSO_4 \cdot 5H_2O)} \cdot M(CuSO_4) = 10 / 250 \cdot 160 = 6{,}4\ г.

$$

Далее, полученное значение мы подставляем в расчетную формулу для массовой доли: $$

\omega(CuSO_4) = \frac{m(CuSO_4)}{m(раствора)} \cdot 100% = 6{,}4 / (100 + 6{,}4) \cdot 100 = 5{,}82%.

$$

Таким образом, мы рассчитали массовую долю сульфата меди(II) в растворе.

Ответ $\omega(CuSO_4) = 5{,}82%$.

Задача 2

Условие

Необходимо рассчитать молярную концентрацию гидроксида калия в 8%-ном водном растворе (по массе). Плотность водного раствора составляет 1,065 г/мл.

Решение

Существуют различные способы решения этой задачи. Разберем подход, который заключается в движении от обратного. Молярная концентрация определяется как количество молей вещества в одном литре раствора.

Пусть объем раствора равен одному литру. Независимо от взятого объема раствора, концентрация остается неизменной.

Рассчитаем массу раствора, как произведение объема раствора на его плотность: $m(р-ра) = V(р-ра) \cdot \rho(р-ра) = 1000$ мл $\cdot\ 1{,}065$ г/мл $= 1065$ г.

Теперь найдем массу гидроксида калия: $m(KOH) = m(р-ра) \cdot \omega(KOH)/100% = 1065$ г $\cdot\ 8/100 = 85{,}2$ г.

Далее находим количество вещества $KOH$: $n(KOH) = m(KOH) / M(KOH) = 85{,}2$ г $/ 56$ г/моль $= 1{,}52$ моль.

Молярная концентрация гидроксида калия в растворе будет равна: $C(KOH) = n(KOH) / V(р-ра) = 1{,}52$ моль $/ 1$ л $= 1{,}52$ моль/л или 1,52 М.

Ответ $C(KOH) = 1{,}52$ моль/л.