Метод пособие для студ



Методическое пособие для студентов (черновой вариант)

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ СОСТАВА РАСТВОРОВ

Массовая доля ω(в) растворённого вещества «В» – отношение массы растворённого вещества m(в) к сумме масс растворённого вещества и растворителя, чаще всего, воды (т.е. к массе раствора):

(в) =

Массовая доля растворённого вещества выражается в долях или в %%( процентное содержание). Например, раствор с массовой долей серной кислоты ω (H2SO4)=0,2(т.е.20%) может быть обозначен как 20% — раствор серной кислоты.

В биологии и медицине также часто используют мг% и мкг%. Число мг% показывает, сколько мг растворённого вещества содержится в 100 г раствора. Число мкг% показывает, сколько мкг растворённого вещества содержится в 100 г раствора. Содержание растворённого вещества в мг% и мкг% применяют для характеристики очень разбавленных растворов. Например, массовая доля раствора глюкозы равна 0,001% или 1мг% или 1000мкг%.

Молярная концентрация с(в) растворённого вещества «В»- отношение количества вещества n(в) к объёму раствора:

c(в)=(моль/л).

Раствор, в котором молярная концентрация растворённого вещества равна с(в) моль/л, характеризуется молярностью, численно равной значению с(в).

Например, раствор с молярной концентрацией серной кислоты с(H2SO4)= 0,1моль/л может быть обозначен как 0,1М H2SO4 (децимолярный раствор серной кислоты в воде).

Нормальная концентрация(молярная концентрация химического эквивалента сeq (в) растворённого вещества «В» – это отношение эквивалентного количества вещества neq(в) к объёму раствора:

Раствор, в котором молярная концентрация эквивалента равна ceq(в) моль/л, характеризуется нормальностью, численно равной значению ceq(в).

Например, раствор с молярной концентрацией эквивалента серной кислоты ceq(H2SO4)= 1моль/л может быть обозначен как 1н H2SO4 (однонормальный раствор серной кислоты в воде).

Нормальность раствора определяется эквивалентным количеством растворённого вещества и, следовательно, как и последнее, зависят от эквивалентного числа z(в), постоянного только для конкретной реакции, причём величина ceq(в) всегда в z(в) раз больше его молярной концентрации c(в): сeq(в)=z(в) с(в).

Химическим эквивалентом называется реальная или условная частица вещества «В», которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному иону Н+ или в данной окислительно-восстановительной реакции одному электрону. В одной формульной единице вещества «В» может содержаться z (в) химических эквивалентов этого вещества. Эквивалентное число z (в) показывает, сколько химических эквивалентов содержится в одной формульной единице; всегда z(в) ≥1.

Например, 0,1н H2SO4 – это раствор, содержащий 0,1 моль/л эквивалента серной кислоты, т.е.

(1/2 H2SO4). При указании нормальной концентрации обязательно следует указывать конкретную реакцию, в которой данный раствор применяется.

Молярная доля χ растворённого вещества — отношение количества данного компонента «В» в молях, содержащегося в растворе, к общему количеству всех веществ, включая растворитель:

χ = n(в)/n(в) + n(р-ль)

Молярная доля χ , как и массовая выражается в долях единицы, в процентах.

Например, χ(H2SO4) = 0,01 = 1%.

Моляльность раствора bотношение количества данного растворённого вещества n(в) моль

к массе растворителя (в кг): b = n(в)/m(р-ль).

Например, b(H2SO4) = 0.1моль/кг.

Пример 1. В 450 г воды растворили 50 г CuSO4·5H2O. Вычислите массовую долю кристаллогидрата, безводной соли и ионов меди в растворе.

Решение: ω (CuSO4·5H2O) = 0,1 = 10%

ω (CuSO4) = 6,4% ω (Cu2+) = 2,56%

Пример 2. Какую массу 5%-ного раствора MgSO4 можно приготовить из 300 г MgSO4 ·7H2O?

Решение: ω(MgSO4) = m(MgSO4)/m (р-р) . m(р-р) = m(MgSO4)/0,05

m(MgSO4) = m( MgSO4 ·7H2O)/M (MgSO4 ·7H2O) ·M(MgSO4) = 300/246 · 120 = 146,3(г)

m(р-р) = 146,3/0,05 = 2926,8(г)

Пример3. Сколько воды следует прибавить к 200мл 20% -ного раствора серной кислоты с плотностью 1,14г/мл, чтобы получить 5% -ный раствор?

Решение: m(р-ра H2SO4) = 200·1,14 = 228(г). m(H2SO4) = 228 · 0.2 = 45.6(г)

0,05 =45,6/ [228 + m(H2O)]. [228 + m(H2O)] = 45,6/0,05 = 912(г)

m(H2O) = 912 – 228 = 684(г).

Пример 4. Смешали 300г 40% раствора азотной кислоты и 700г 10% раствора той же кислоты. Определите массовую долю полученного раствора.

Решение: m(р-ра HNO3) = 300 + 700 = 1000(г).

m(HNO3) = 300 · 0,4 + 700 · 0,1 = 190(г). ω(нового раствора) = 190/1000 = 0,19=19%

Пример 5. Определите массу 30% раствора серной кислоты, которую следует добавить к 600 г 80% раствора той же кислоты для получения 60% раствора.

Решение: Пусть масса 30% раствора X. Тогда масса раствора после смешения: m(р-р) = 600 + X

m(H2SO4) = 600 · 0,8 + X · 0,3. 0,6 = [600 · 0,8 + X · 0,3. 0,6] / (600 + X). X = 400(г).

Пример 6. Как приготовить 500мл 1,5 М раствора серной кислоты из 96%-ного раствора с плотностью 1,84г/мл?

Решение: n(H2SO4) = 1,5 · 0,5 = 0,75(моль). m(H2SO4) = 98 0,75 = 73,5(г).

V(96% р-ра H2SO4) = 73,5/ 1,84 · 0,96 = 42(мл). Далее необходимо долить воды, чтобы довести объём раствора до 500мл.

Пример 7. Вычислите молярную и нормальную концентрацию раствора H3PO4 с массовой долей кислоты 49% и плотностью 1,33г/мл.Фактор эквивалентности кислоты равен 1/3.

Решение: Масса 1л раствора: 1000 ·1,33 = 1330(г). m(H3PO4) = 1330 · 0,49 = 650(г).

n(H3PO4) = 650 / 98 = 6,6(моль). c(H3PO4) = 6,6 моль/л. c(1/3 H3PO4) = 6,6 / (1/3) = 19,8(моль экв),т.е.

19,8н H3PO4.

Практическое занятие.

Задание 1.

Определить массовую долю, молярную концентрацию, моляльную концентрацию и мольную долю раствора, полученного растворением 8 г гидроксида натрия в 92 мл воды, плотность полученного раствора составляет 1,06 г/мл.

Дано: М ( NaOH) = 40 г/моль, ρ (Н2О) = 1г/мл =1000 г/л, m (NaOH) = 8 г.

Решение.

По определению ω = mв-ва / (mв-ва + mводы) = 8/(8+ 1• 92) = 0,08 (8%)

Найдем количество вещества гидроксида натрия

n = m |/M = 8/40 = 0,2 моль.

3. Найдем объем полученного раствора: Vр-ра = mр-ра/ ρр-ра = 100/1,06 = 94,3 мл =

= 0,0943 л.

Рассчитаем молярную концентрацию: c = nв-ва/Vр-ра = 0,2/ 0,0943 = 2,12 моль/л.

Моляльная концентрация В находится как отношение количества растворенного вещества на 1 кг растворителя ( в данном случае воды).

Масса воды равна 92 г = 0,092 кг. В таком случае В = 0,2/ 0,092 = 2,17 моль/кг H2O.

5. Молярная (или мольная) доля рассчитывается по формуле χ = nв-ва/(nв-ва +n H2O)

Найдем предварительно количество вещества воды n = 92/ 18 = 5,11моль. Тогда

χ = 0,2/( 0,2 + 5,11) = 0,0377 (3,77 мольн.%).

Далее рекомендуется напомнить студентам основные виды операций с растворами. К ним относятся процессы с постоянством массы растворенного вещества. Если в систему вводится растворитель( чаще вода) – это разбавление; если из системы удаляется часть растворителя, то в таком случае говорят об упаривании.

Сливание раствора с массой m1 и массовой долей ω1 и раствора массой m2 c массовой долей ω2 называется смешением. В этом случае массовая доля растворенного вещества в полученном растворе ω3 рассчитывается по формуле:

ω3 = (m1ω1 + m2ω2)/(m1 +m2)

Можно выделить два процесса, при проведении которых масса растворителя постоянна, а масса (количество вещества) растворенного вещества меняется. Это концентрирование, когда к уже существующему раствору прибавляется некоторое дополнительное количество растворенного вещества; причем добавка может иметь любое агрегатное состояние, в зависимости от вида растворенного вещества. При изменении температуры растворимость веществ меняется, поэтому часть растворенного вещества может выделиться из раствора в виде осадка. Такие процессы называются кристаллизацией. Массу добавляемого или выделяющегося вещества обозначим х.

Тогда формулы для определения массовой доли в получаемых растворах ω2 будут иметь следующий вид:

ω2= (mв-ва(в исх. р-ре)+ х)/(m1 + x) (концентрирование)

ω2= (mв-ва(в исх. р-ре)— х)/(m1x ) ( кристаллизация)

Можно напомнить, что молярная концентрация легко находится по известной массовой доле и плотности раствора.

ρр-ра ω

с = ——— [моль/л]

Мв-ва

где плотность раствора (ρр-ра) имеет размерность[г/л], молярная масса растворенного вещества Мв-ва [моль/л].

Задание 2. Какой объем 98%-й серной кислоты с плотностью 1,84 г/мл надо взять, чтобы после разбавления получить 0,5 л 0,4М раствора этой кислоты.

Дано: исходный раствор: ρ1 = 1,84 г/мл = 1840 г/л, ω1(H2SO4) = 0,98; конечный раствор:

V2 = 0,5л, с2 =0,5 моль/л; M(H2SO4) = 98 г/моль. V1-?

Решение: Поскольку имеет место процесс разбавления, то масса растворенного вещества остается постоянной. Учтем, что в исходном растворе масса растворенного вещества была задана через массовую долю, а в конечном – через молярную концентрацию.

ρ1V1ω1= C2V2M

Выразим V1:

V1 = C2V2M/1 ω1) = 0,4•0,5•98/(1840•0,98) = 0, 0109 л = 10,9 мл.

Задание 3. С какой массой 10%-го раствора некоторой соли надо смешать 500 г 40%-го раствора этой же соли, чтобы получить 15%-й раствор.

Дано: ω1 = 10% = 0,1, m2= 500 г, ω2 = 40% = 0,4, ω3 = 15% = 0,15; m1— ?

Решение: При смешении массы растворов суммируются, значит масса конечного раствора m3 будет равна: m3 = m1+ m2 , масса растворенного вещества в 1-м растворе m1•ω1, масса растворенного вещества во 2-м растворе, m2• ω2. Тогда, по закону сохранения массы, можем записать:

mв-ва 1 +mв-ва2 = mв-ва3, или

m1 ω1 + m2ω2 = (m1 + m2 )•ω3

m1 •0,1 + 500•0,4 = (m1 + 500)•0,15.

m1•0,1 + 200 = m1 •0,15 + 75

0,05 m1 = 125, m1 = 2500 г.

Кристаллогидраты.

Кристаллогидратами называются вещества, содержащие в формульной единице, кроме основного вещества, несколько молекул воды. Большинство кристаллогидратов образуют соли: CuSO4•5H2O, CaSO4•2H2O, Na2CO3•10H2O, хотя существуют гидраты серной кислоты, некоторых щелочей, органических веществ.

Молярная масса кристаллогидрата (М кр) складывается из молярной массы безводной части (М б/в) и молярной массы воды, умноженной на число молекул гидратной воды. Так, молярная масса медного купороса (CuSO4•5H2O) или пентагидрата сульфата меди (II) равна: Мкр = Мб/в +5•М(H2O) =160 +5•18 = 250 г/моль.

Для формул кристаллогидратов важным является то, что количество вещества кристаллогидрата равно количеству вещества безводной соли:

n(кристаллогидрата) = n (безводной соли), или

m(б/в)/M (б/в)= m(кр)/M(кр).

Отметим, что массовая доля вещества в растворе рассчитывается именно по массе безводной соли.

Задание 4. Какую массу кристаллической соды (Na2CO3•10H2O) надо растворить в 100 г 1% -го раствора карбоната натрия, чтобы получить 5%-й раствор этой соли?

Дано: m1= 100 г, ω1 = 1% = 0,01, ω2 = 5% = 0,05, М(Na2CO3) = 106 г/моль, М (Na2CO3•10H2O) = 286 г/моль. Найти m(кр) -?

Решение. Обозначим массу добавляемого кристаллогидрата за Х. Тогда масса конечного раствора составит 100 +Х. Масса карбоната натрия в исходном растворе равна 100•0,01 = 1г. Масса безводного карбоната натрия, содержащегося в кристаллогидрате выражается как Х•М(б/в)/ М(кр) = Х•106/286 = 0,3706•Х. В таком случае общая масса безводной соли в конечном растворе составит величину 1+ 0,3706•Х. Тогда, зная, что массовая доля в конечном растворе составит 5%, составим уравнение:

1+0,3706•Х

0,05 = ——————

100 + Х

Отсюда находим Х = 12,47г.

Растворимость. Коэффициент растворимости.

Растворимость характеризует способность вещества растворяться в данном растворителе. С количественной точки зрения растворимость представляет собой массу вещества, способную раствориться в определенном объеме (или массе) растворителя при данной температуре с образованием насыщенного раствора. Называется эта характеристика – коэффициент растворимости. Обозначается эта величина ks,(иногда S). Чаще всего используется масса вещества, приходящаяся на 100 г воды.

ks = mв-ва / mводы .

Связь с массовой долей вытекает из определения массовой доли:

ω = ks /( ks +100)

Молярная концентрация эквивалента (эквивалентная концентрация).

Данный вид концентрационных величин широко используется для описания процессов, сопровождающихся химическими реакциями. Известно, что вещества реагируют и образуются в количествах, пропорциональных коэффициентам в данной реакции. Так, в реакции: Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O , одной частице оксида железа соответствует шесть молекул хлороводорода. Соответственно, одной частице HCl соответствует 1/6 формульной единицы оксида железа. Другими словами, 1/6 частицы оксида железа (III) эквивалентна одному иону водорода Н+. На основании подобных наблюдений вводится понятие химического эквивалента.

Эквивалентом в обменных реакциях называется реальная или условная частица, эквивалентная одному иону водорода Н+ . Так как в реакциях нейтрализации ион Н+ всегда реагирует с одним ионом ОН, то можно определять эквивалент вещества и по гидроксид-ионам.

Эквивалент не является жестко зафиксированным для какого-либо вещества. В зависимости от конкретной реакции меняется и величина эквивалента. Например, для реакции нейтрализации гидроксида алюминия соляной кислотой до средней соли:

Al(OH)3+ 3HCl = AlCl3 + 3H2O

Одной частице гидроксида алюминия соответствуют 3 иона Н+ . Значит, в этой реакции эквивалент равен 1/3 Al(OH)3 . В реакции же неполной нейтрализации до основной соли:

Al(OH)3 + HCl = Al(OH)2Cl + H20

на одну частицу гидроксида алюминия приходится один Н+. В таком случае, эквивалент и формульная единица совпадают.

Для количественного описания вводятся две величины: эквивалентное число z и фактор эквивалентности f. Эквивалентное число показывает, сколько эквивалентов содержит формульная единица данного вещества. Величина z всегда целая 1, 2, 3 и т.д. Расчет удобно проводить по уравнению реакции: z равно числу ионов Н+ (или ОН), приходящихся на одну формульную единицу определяемого вещества. Фактор эквивалентности – величина, обратная эквивалентному числу f = 1|/ z. Поэтому его значения – 1, 1/2, 1/3 ит.д. Фактор эквивалентности показывает, какая часть молекулы (или формульной единицы) вещества соответствует его эквиваленту.

Если эквивалент представляет собой часть молекулы (или формульной единицы), то целесообразно ввести следующие понятия:

Молярная масса эквивалента М(1/z X) = M/z =M•f [г/моль]

Эквивалентное количество n(1/z X) = mв-ва/M(1/z X) [моль]

Молярная концентрация эквивалента с(1/z X) = n(1/z X)/Vр-ра [моль/л]

Иногда используется подстрочная индексация этих величин: Мeq(X), neq(X), ceq(X) с обязательным указанием величины z или f.

Задание 5.

Определите, как связаны молярное количество вещества и его эквивалентное количество; молярная концентрация и молярная концентрация эквивалента (самостоятельно).

Закон эквивалентов.

Для реакции : aA + bB = cC + dD , где a,b,c,d – коэффициенты в реакции , а A,B.C D – реагенты и продукты, существует закономерность. Эквивалентные количества реагирующих и образующихся веществ равны. Это и есть закон эквивалентов.

neq(A ) = neq(B ) = neq(C) = neq(D),

или для растворов

ceq(A)•Vp-pa(A)= ceq(B)•Vp-pa(B) = ceq(C)•Vp-pa(C) = ceq(D)•Vp-pa(D)

Задание 6. Показать справедливость закона эквивалентов для реакции:

2Al(OH)3 + 3 H2SO4 = Al2(SO4)3 + 6H2O

n, 2 3 1 6

z 3 2 6 1

neq 6 6 6 6

Обсудить со студентами общие закономерности определения z и f, предложить самостоятельно разобраться с этими числами в следующем задании.

Задание 7. Расставить коэффициенты, определить эквивалентные числа и факторы эквивалентности реагентов и продуктов для следующих реакций:

КОН + H2SO4= KHSO4 + H2O

MgCl2 + K3PO4 = Mg3(PO4)2 + KCl

CaO + HCl = СaCl2 + H2O

AlCl3 + NaOH = Na[Al(OH)4] + NaCl

H3PO4 + KOH = K2HPO4 + H2O

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Определите массу растворённого вещества: а)в 250 г 8%-ного раствора K2CO3,.

б) в 500 мл 5%-ного раствора азотной кислоты с плотностью раствора 1,03г/мл.

2. Вычислите массовую долю растворённых веществ для растворов, содержащих:

а)1 моль аммиака в 3 моль воды; б) 100г серной кислоты в 10 моль воды.

3. Вычислите массовую долю безводной соли для раствора, приготовленного из

14,3г Na2CO3· 10H2O и 120г воды.

4. Вычислите массовую долю безводной соли в растворе, полученном растворением 0,01 моль

кристаллогидрата Al2(SO4)3 · 18 H2O в 1,0 моль воды.

5. Какую массу хлорида калия следует добавить к 450 г 8%-ного раствора той же соли для получения 12%-ного раствора?

6. Какую массу воды следует добавить к 1кг 40;%-ного раствора серной кислоты для получения 25%-ного раствора?

7. Из 750 кг 48%-ного раствора серной кислоты выпарили 300 кг воды. Определите массовую долю серной кислоты в полученном растворе.

8. Какую массу 32%-ного раствора азотной кислоты следует добавить к 600 г 80%-ного раствора той же кислоты для получения 64%-ного раствора?

9. Определите массу 8%-ного раствора гидроксида натрия, которая потребуется для нейтрализации 292 г 20%-ного раствора соляной кислоты.

10. Какой объём 5,5%-ного раствора азотной кислоты(плотность равна 1,03г/мл) требуется для нейтрализации 60 мл 12%-ного раствора КОН (плотность равна 1,1г/мл)?

11. К 700 мл 84,5%-ного раствора серной кислоты(плотность 1,78г/мл) добавлено 1200 мл 42%-ного раствора гидроксида натрия (плотность 1,45 г/мл). Какой объём 35%-ного раствора гидроксида калия (плотность 1,35 г/мл) потребуется добавить к раствору для достижения нейтральной реакции?

12. Определите массу растворённого вещества, содержащегося в 1л следующих растворов:

а)0,1н H2SO4(фактор эквивалентности ½); б) 0,5н Na2CO3 (фактор эквивалентности ½);

в) 0,3н H3PO4 ( фактор эквивалентности1/3).

13. Какой объём раствора 0,1н H2SO4 (фактор эквивалентности ½) можно приготовить из 70 мл 50%-ного раствора этой кислоты (плотность 1,40 г/мл)?

14. Вычислите молярную и нормальную концентрации следующих растворов: а) 40%-ный раствор

гидроксида натрия(плотность 1,43 г/мл); б)20%-ный раствор соляной кислоты( плотность 1,1 г/мл);в) 18%-ный раствор аммиака(плотность0,932 г/мл)

15. Какая масса Na2CO3 требуется для взаимодействия с 600 мл 0,5н HNO3?

16. Какая масса BaCl2 · 2H2O потребуется для взаимодействия с 750 мл 0,12н H2SO4

(фактор эквивалентности ½)?

17. Определите нормальную концентрацию 0,1 М H3PO4, используемого для получения

гидрофосфатов.

18. В плазме крови содержится 152 ммоль/л ионов натрия. Считая, что ионы натрия находятся

только в виде хлорида натрия, вычислите массовую долю хлорида натрия в плазме крови,

Плотность плазмы крови 1,03 г/мл.

19.Для раствора сахарозы с концентрацией 0,1 моль/л рассчитайте массовую долю сахарозы

( в %,мг%, мкг%), моляльность b , молярную долю χ. ρ (р-ра) = 1,03 г/мл.

20.Массовая доля железа в крови в расчёте на элемент составляет 50 мг%. Рассчитайте массу железа

в расчёте на элемент, содержащегося в 5,0 кг крови.

Ответы: 1-а)20г,б)25,75г;2- а)23,9%,б)35,7%; 3 – 3,95%; 4 – 13,86%; 5 – 20,45г; 6 – 600г; 7 – 80%;

8 – 300г; 9 – 800г; 10 – 157мл; 11 – 380 мл; 12 – а)4,9г,б)26,5г,в)9,8г; 13 – 10л;

14 – а)14,3н,б)9,87н,в)6,03н; 15 – 15,9г; 16 – 11г; 17 — 0,2н; 18 – 0,86%;

19 –ω= 3,29%,3290 мг%, 3290000 мкг%, b =0,0994 моль/кг, χ= 0,00179; 20 – 2,5г;

ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.

ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Пример 1.Рассчитайте стандартную энтальпию реакции

2SO2(г) + O2(г) = 2SO3(г)

ΔHfo (кДж/моль) -297 0 -396

Решение: Δ Нор-ции = Σ ΔНопрод — Σ ΔНоисх = 2(-396) — [2(-297) + 1(0)] = -198 кДж

Пример 2. Рассчитайте стандартную энтальпию образования этанола, если стандартные энтальпии сгорания углерода, водорода и этанола соответственно равны (в кДж/моль): -393,5; -285,8; -1366,9.

Решение: Уравнение реакции, соответствующей энтальпии образования этанола-

2С + 3Н2 + 0,5О2 = С2Н5ОН



Страницы: Первая | 1 | 2 | 3 | ... | Вперед → | Последняя | Весь текст




map