Способы разделения смесей (стр. 3 )

Тема: «Растворы. Растворимость веществ» (8 класс)

Теоретический блок.

Дисперсными системами называются системы, состоящие из некоторого вещества, в котором в очень мелком виде распределено другое вещество. Распределенное вещество называется дисперсной фазой, а вещество, в котором распределена дисперсная фаза – дисперсионной средой. Если частицы дисперсной фазы имеют размер порядка размеров молекул (<10–8 м), то дисперсную системуРазличные типы дисперсных систем являются предметом изучения в Коллоидной химии - одном из важнейших разделов химической науки. называют раствором (истинным раствором).

Простейшие составные части раствора, которые могут быть выделены в чистом виде, называются компонентами раствора. Обычно компонент, находящийся в избытке, считают растворителем, а остальные – растворенными веществами. Если один из компонентов – вода, то ее обычно принимают за растворитель.

Концентрация – величина, выражающая относительное содержание данного компонента в растворе. Существуют следующие основные способы выражения концентрации растворов.

Массовая доля – величина, показывающая, какую долю от массы раствора составляет масса растворенного вещества:

  или в процентах: 

Молярная концентрация (молярность) – величина, показывающая, сколько молей растворенного вещества содержится в 1 литре раствора:

  (моль/л),

где  νв-ва – количество растворенного вещества в растворе, моль;  Vр-ра – объем раствора, л.

Нормальная концентрация (нормальность, эквивалентная концентрация) – величина, показывающая, сколько эквивалентов растворенного вещества содержится в 1 литре раствора:

  (экв/л),

где  nв-ва – количество растворенного вещества в растворе, экв;  Vр-ра – объем раствора, л.

Довольно часто химический эквивалент трактуется не как единица количества вещества, а как условная частица. Тогда nв-ва необходимо воспринимать как количество молей эквивалента.

Моляльная концентрация (моляльность) – величина, показывающая, сколько молей растворенного вещества в растворе приходится на 1 кг растворителя:

  (моль/кг)

где  νв-ва – количество растворенного вещества в растворе, моль;  mр-ля – масса растворителя в растворе, кг.

Титр – величина, показывающая, какая масса растворенного вещества содержится в 1 мл раствора:

  (г/мл)

где  mв-ва – масса растворенного вещества в растворе, г;  Vр-ра – объем раствора, мл.

Мольная доля вещества в растворе представляет собой отношение числа молей этого вещества к суммарному количеству молей всех компонентов раствора:

  ,

где  νв-ва – число молей компонента, для которого определяется мольная доля;  n – количество компонентов раствора.

Растворимость – способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Она характеризуется концентрацией насыщенного раствора. Растворимость часто выражают количеством граммов растворяемого вещества в 100 г растворителя. Если раствор содержит растворенного вещества больше, чем это соответствует растворимости при данной температуре, то он называется пересыщенным. Возможность существования пересыщенного раствора объясняется трудностью возникновения центров кристаллизации. В случае растворения твердых или жидких веществ в жидкостях растворимость возрастает с повышением температуры, а для газов – убывает. На растворимость газов большое влияние оказывает давление.

Как правило, процессы растворения сопровождаются изменением объема и температуры. Например, при смешении равных объемов этилового спирта и воды объем смеси меньше суммы объемов компонентов (это явление называется контракцией).

Количество тепла, поглощаемого или выделяемого при растворении 1 моля вещества, называется теплотой растворения (ΔHs). При растворении твердого вещества происходит разрушение кристаллической решетки. На это требуется затрата энергии. Однако многие процессы растворения протекают с выделением теплаТ. е. эти процессы являются экзотермическими. (ΔHs<0). Поэтому можно предположить, что наряду с разрушением кристаллической решетки протекает экзотермический процесс. Было показано, что этим процессом является сольватация, т. е. соединение молекул растворенного вещества в неустойчивые соединения – сольваты. Когда растворителем является вода, то эти соединения называются гидратами, а процесс – гидратацией. Поскольку молекула воды очень полярна *, то многие гидраты весьма устойчивы и могут быть выделены в кристаллическом состоянии (кристаллогидраты) – например, CuSO4·5H2O – медный купорос, Na2CO3·10H2O – кристаллическая сода, Na2S2O3·5H2O – гипосульфит, и др.

Следовательно, растворение – физико-химический процесс.

Практический блок

а) Методика решения задач на приготовление растворов с участием кристаллогидратов.

Обоснование

При растворении в воде кристаллогидрата, кристаллизационная вода уходит в раствор.

Справка: кристаллогидраты – это вещества, в кристаллы которых входят молекулы воды. Содержащаяся в них вода называется кристаллизационной. Например:

6.  – декагидрат карбоната натрия (сода)

7.  - пентагидрат сульфата меди (II) (медный купорос)

8.  – гептагидрат сульфата железа (II) (железный купорос)

Количественной характеристикой соли в кристаллогидрате является массовая доля соли:

Тогда .

Поскольку при растворении кристаллогидрата в воде происходит только отщепление воды, а масса соли остается неизменной, то масса вещества до растворения будет равна массе вещества после растворения.

Пример 1

Какую массу пентагидрата сульфата меди (II) (медного купороса) и воды надо взять для приготовления двухсот граммов раствора с массовой долей 5%?

г

Ответ: г

Пример 2

Какую массу соды нужно растворить в мл воды, чтобы получить раствор карбоната натрия с массовой долей 10%?

Ответ: г.

Пример 3

Вычислите массу кристаллогидрата сульфата натрия (кристаллизуется 10 молекулами воды), которую надо добавить к 50 мл 5% раствора сульфата натрия плотностью 1.1 г/мл, чтобы удвоить массовую долю вещества в растворе.

Ответ: г.

Пример 4

К 225г 5% раствора гидрофосфата натрия добавили 10 г кристаллогидрата этой же соли. Массовая доля возросла на 1.47%. Укажите состав кристаллогидрата.

Ответ: .

Пример 5

К 300 мл 20% раствора сульфата железа(II) плотностью 1.1 г /мл добавили 40г гептагидрата сульфата железа(II). Из полученного раствора выпарили 70г воды. Найдите массовую долю сульфата железа(II) в конечном растворе.

Ответ: %

Задачи для самостоятельного решения.

9.  Какие массы железного купопороса и воды потребуются для приготовления 700г раствора с массовой долей сульфата железа (II) 10% (Ответ: г, )

10.  Гексагидрат сульфата цинка и моногидрат сульфата цинка смешали в соотношении по массе 1:3. Какую массу такой смеси следует растворить в 5 моль воды для получения 15% раствора? (Ответ: г)

11.  Определите массу кристаллогидрата и раствора с массовой долей 1.5%, которую надо взять для приготовления раствора с массовой долей сульфата хрома (III) 2.0% и массой 79.5г? (Ответ: = 10г, = 69.5г)

12.  К 220мл раствора карбоната натрия с массовой долей 15% плотностью 1.16г/мл добавили 20г соды , затем выпарили 50мл воды. Найдите массовую долю карбоната натрия в полученном растворе. (Ответ: )

б) Методика решения задач на растворы с использованием коэффициента растворимости данного вещества и выпадением осадка в виде кристаллогидрата.

Обоснование

Коэффициент растворимости – это отношение массы вещества, образующего насыщенный раствор данной температуры, к объему растворителя. К. р. показывает, какая масса вещества образует насыщенный раствор в 100г растворителя при данной температуре. Пусть коэффициент растворимости данного вещества при данной температуре равен г. Тогда массовая доля вещества будет равняться .

Пример 1

Коэффициент растворимости нитрата железа(III) при 20˚C – 82.5г. К насыщенному раствору массой 200г добавили 10г безводной соли, температуру повысили до полного растворения, а потом охладили до 20˚C. Найдите массу выпавшего кристаллогидрата .

Ответ: x = 37.05 г.

Пример 2

Насыщенный раствор карбоната натрия нагрели и растворили еще 2 грамма карбоната натрия. После охлаждения выпал осадок массы 8.6г . Найдите растворимость соды при данной температуре.

Ответ: коэффициент растворимости карбоната натрия при данной температуре равен 21.93г.

Пример 3

Растворимость иодата натрия при 90˚C равна 33г. 800г насыщенного при 90 градусах цельсия раствора охладили до 25˚C. При этом выпал осадок массой 214.72г. Массовая доля иодата натрия в оставшемся растворе равна 8.68%. Выведите молекулярную формулу кристаллогидрата.

Ответ:

Задачи для самостоятельного решения.

16.  Насыщенный при 80˚C раствор сульфата цинка массой 500г охладили до 20˚C, в результате чего выпал осадок кристаллогидрата . Коэффициент растворимости сульфата цинка при 80˚C равен 67г, а при 20˚C – 54г. Найдите массу выпавшего осадка. (Ответ: г)

17.  200 г кристаллогидрата растворили в воде при температуре 80˚C и получили насыщенный раствор. Коэффициент растворимости карбоната натрия при 80˚C равен 45г. Раствор охладили до 30˚C. Коэффициент растворимости карбоната натрия при 30˚C равен 40г. Выпал осадок. Найдите массу выпавшего кристаллогидрата. (Ответ: г)

18.  Массовая доля карбоната натрия в расчете на безводную соль в его насыщенном при 8˚C и 70˚C растворе составляет соответственно 10% и 30%. Вычислите массу десятиводного кристаллогидрата, который выпадет из 400г насыщенного при 70˚C раствора при его охлаждении до 80˚C. (Ответ: г)

В) “Правило смешения”

Воспользуемся формулой (4):

тогда 

Отсюда

Таким образом, отношение массы первого раствора к массе второго равно отношению разности массовых долей смеси и второго раствора к разности массовых долей первого раствора и смеси.

Аналогично получаем, что при

Замечание: Формула (5) удобна тем, что на практике, как правило, массы веществ не отвешиваются, а берутся в определенном отношении.

Г) “Правило креста”

“Правилом креста” называют диагональную схему правила смешения для случаев с двумя растворами.

Слева на концах отрезков записывают исходные массовые доли растворов (обычно слева вверху-большая), на пересечении отрезков - заданная, а справа на их концах записываются разности между исходными и заданной массовыми долями. Получаемые массовые части показывают в каком отношении надо слить исходные растворы.

Д) Графический метод

Отрезок прямой (основание графика) представляет собой массу смеси, а на осях ординат откладывают точки, соответствующие массовым долям растворенного вещества в исходных растворах. Соединив прямой точки на осях ординат, получают прямую, которая отображает функциональную зависимость массовой доли растворенного вещества в смеси от массы смешанных растворов в обратной пропорциональной зависимости

Полученная функциональная прямая позволяет решать задачи по определению массы смешанных растворов и обратные, по массе смешанных растворов находить массовую долю полученной смеси.

Построим график зависимости массовой доли растворенного вещества от массы смешанных растворов. На одной из осей ординат откладывают точку, соответствующую массовой доли , а на другой - . Обозначим на оси абсцисс точки А и В с координатами (0,0) и (m1 + m2,0), соответственно. На графике точка А(0,0) показывает, что массовая доля всего раствора равна , а точка В(m1 + m2,0) - массовая доля всего раствора равна . В направлении от точки А к точке В возрастает содержание в смеси 2-го раствора от 0 до m1+ m2 и убывает содержание 1-го раствора от m1+ m2 до 0. Таким образом, любая точка на отрезке АВ будет представлять собой смесь, имеющую одну и ту же массу с определенным содержанием каждого раствора, которое влияет на массовую долю растворенного вещества в смеси.

Замечание: Данный способ является наглядным и дает приближенное решение. При использовании миллиметровой бумаги можно получить достаточно точный ответ.

Е) Алгебраический метод

Задачи на смешивание растворов решают с помощью составления уравнения или системы уравнений.

2. Примеры решения задач

Задача 1. (№1.43, [1])

В 100 г 20%-ного раствора соли добавили 300 г её 10%-ного раствора. Определите процентную концентрацию раствора.

Решение:

1.  C помощью расчетной формулы

2.  Графический

Ответ: 12,5%

3.  Путем последовательных вычислений

o  Сколько растворенного вещества содержится:

а) в 100 г 20%-ного раствора; [100•0,2 = 20(г)]

б) в 300 г 10%-ного раствора? [300•0,1 = 30(г)]

o  Сколько вещества содержится в образовавшемся растворе?

20 г + 30 г = 50 г

o  Чему равна масса образовавшегося раствора?

100 г + 300 г = 400 г

o  Какова процентная концентрация полученного раствора?

(50/400)100 = 12,5(%)

Ответ: 12,5%

4.  Алгебраический

Пусть х - процентная концентрация полученного раствора. В первом растворе содержится 0,2•100(г) соли, а во втором 0,1•300(г), а в полученном растворе х•(100 + 300)(г) соли. Составим уравнение:

0,2•100 + 0,1•300 = х•(100 + 300);

х = 0,,5%)

Ответ: 12,5%

Задача 2. u(№10.26, [1])

Смешали 10%-ный и 25%-ный растворы соли и получили 3 кг 20%-ного раствора. Какое количество каждого раствора в килограммах было использовано?

Решение:

1.  Алгебраический

а) C помощью уравнения:

Пусть х (кг) - масса 1-го раствора, тогда 3-х (кг) - масса 2-го раствора.

0,1•х (кг) содержится соли в 1-ом растворе,

0,25•(3-х) (кг) содержится соли в 2-ом растворе,

0,2•3 (кг) содержится соли в смеси.

Учитывая, что масса соли в 1-ом и 2-ом растворах равна массе соли в смеси, составим и решим уравнение:

0,1•х + 0,25•(3-х) = 0,2•3;

0,15х = 0,15;

х = 1, 1кг-масса 1-го раствора

3 - х = 3 - 1 =2 (кг) - масса 2-го раствора.

Ответ: 1 кг, 2 кг.

б) С помощью системы уравнений

Пусть х (кг) - количество первого раствора, у (кг) - количество второго раствора. Система уравнений имеет вид:

Ответ: 1 кг, 2 кг.

2.  Графический.

Ответ: 1кг, 2кг.

3.  “Правило смешения”

4.  “Правило креста”

Составим диагональную схему

Ответ: 1кг, 2кг.

В) Расчёты с использованием кристаллогидратов

Задача №1. К 200г 20%-ного раствора сульфата меди прибавили 50г медного купороса. Определите массовую долю растворённого вещества полученного раствора.

2Способ РЕШЕНИЕ.

CuSO45H2O

Mr(CuSO4 5H2O)= 160+90= 250

W%(CuSO4)=160/250 =0,64

50 × 0,64 + 200×0,2 =250Х; 32+40=250Х; 72=250Х; Х=0,288 или 28,8%

Ответ. W%(CuSO4)=28,8%

3Способ Дано:

РЕШЕНИЕ

е) Расчёты с использованием молярной концентрации

Задача №1.Каким объёмом воды нужно разбавить 500мл 0,5М раствор глюкозы, чтобы получить физиологический 0,1М-ый раствор?

Дано:

РЕШЕНИЕ

Или 0,5М/0М также как 0,1М/0,4М; 0,4 больше 0.1 в 4 раза тогда V(H2O) больше V0,5М раствора тоже в 4 раза отсюда 0,5 × 4 = 2

ж) Расчёты, связанные с растворимостью и кристаллизацией Задача

Задача №1.Массовая доля хлорида меди (2) в насыщенном при t=20грС растворе этой соли равна 42,7%. Определите коэффициент растворимости хлорида меди(2), при данной t.

Коэффициент растворимости – это растворимость вещества в 100граммах воды, при данной t. Чтобы его рассчитать, надо определить содержание соли и воды в 42,7%-ном растворе.

1.Рассчитаем содержание воды и вещества в растворе.

,7 =57,3г(воды)

2.Рассчитаем, сколько соли растворяется в 100г воды.

Ответ. коэффициент растворимости=74,5г

Задача №2. Насыщенный при 60°C раствор соли в количестве 20кг был охлаждён снегом, какое количество соли выпало в осадок, если при 60°C растворимость соли составляет110г, а при 0°C -13,1г. Рассчитайте выход продукта в процентах.

Ответ. η = 88,1%

Задача №3. При перекристаллизации соли, растворимость которой при 100°C =48,6г, а при 20°C=16,45г, было получено при охлаждении в интервале указанных температур 0,5кг вещества. Сколько было взято соли и воды для перекристаллизации?

Ответ m(в-ва)= 755,73г, m(воды)= 1555г.

Задача №4. Растворимость хлората калия при 70°C =30,2г, а при 30°C =10,1г в 100г воды. Сколько граммов вещества выделится из 70г насыщенного при 70°C раствора, если его охладить до 30°C?

Или можно массу осадка рассчитать через воду

m↓ = 30,2- 10,1 =20,1

Ответ m(в-ва)= 10,8г

Для самостоятельного прорешивания

Сосуд емкостью 5 л содержит 2 л р%-ного (по объёму) раствора соли. Сколько литров 20%-ного раствора такой же соли надо налить в сосуд, чтобы процентное содержание соли в сосуде стало наибольшим?

В двух сосудах по 5л каждый содержится раствор соли. Первый сосуд содержит 3л р% - ного раствора, а второй - 4л 2р% - ного раствора одной и той же соли. Сколько литров надо перелить из второго сосуда в первый, чтобы получить в нем 10% - ный раствор соли? При каких значениях р задача имеет решение?

Сколько сухой соли нужно добавить к 250 г раствора 10%-й концентрации для ее увеличения до 45%?

Сколько воды нужно добавить к 250 г раствора соли для понижения его концентрации с 45% до 10%?

При н. у. в воде массой 100г растворяется хлороводород объёмом 50,5л. При t= 50°C и нормальном давлении коэффициент растворимости хлороводорода равен 59,6г. Насыщенный при t = 0°C раствор соляной кислоты массой 40г нагрет до t=50°C. Определите массу полученного раствора.

Тестовый блок

Зачетно-задачный блок

1. Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций, протекающих при сливании растворов: а) хлорида натрия и нитрата серебра; б) азотной кислоты и гидроксида кальция; в) соляной кислоты и карбоната калия.

2. Смешали 200 г воды и 50 г гидроксида натрия. Определить массовую долю вещества в растворе.

3. 180г 15%-ного раствора хлорида бария выпарили до массы раствора 145г. Какова стала процентная концентрация раствора?

4. Задание. Определить растворимость следующих веществ: AgNO3, Fe(OH) 2, Ag2SO3, Ca(OH)2, CaCO3, MgCO3, KOH.

Хорошо растворимые ____________________________________________

Малорастворимые_________________________________________________

Нерастворимые___________________________________________________

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3