Растворение и гидратная теория

Раствор — однородная система из двух и более компонентов: растворителя (чаще всего воды) и растворённого вещества. Растворение — одновременно физический и химический процесс. Физическая сторона: кристаллическая решётка вещества разрушается, а частицы распределяются по всему объёму растворителя (диффузия); на это затрачивается энергия. Химическая сторона: частицы соединяются с молекулами воды и образуют гидраты, при этом энергия выделяется. Эта идея лежит в основе гидратной теории Д. И. Менделеева.

Тепловой эффект растворения зависит от соотношения этих процессов: при растворении $\mathrm{NaOH}$ и $\mathrm{H_2SO_4}$ раствор нагревается, а при растворении $\mathrm{NH_4NO_3}$ охлаждается. Химическую природу растворения подтверждает и изменение окраски: белый безводный $\mathrm{CuSO_4}$ даёт в воде голубой раствор.

Вещества, в состав которых входит кристаллизационная вода, называют кристаллогидратами: медный купорос $\mathrm{CuSO_4 \cdot 5H_2O}$ , глауберова соль $\mathrm{Na_2SO_4 \cdot 10H_2O}$ , гипс $\mathrm{CaSO_4 \cdot 2H_2O}$ .

Коэффициент растворимости. Насыщенные и ненасыщенные растворы

Коэффициент растворимости ( $S$ ) — максимальная масса вещества, которая может раствориться в 100 г растворителя при данной температуре.

Факторы, влияющие на растворимость:

природа вещества и растворителя: полярные и ионные соединения хорошо растворяются в полярном растворителе (воде), неполярные — в неполярных;
температура: растворимость большинства твёрдых веществ при нагревании растёт, а растворимость газов уменьшается;
давление: растворимость газов с ростом давления увеличивается, на твёрдые и жидкие вещества давление практически не влияет.

Раствор, в котором при данной температуре вещество больше не растворяется, называют насыщенным, а раствор, способный растворить ещё вещество, — ненасыщенным. При осторожном охлаждении насыщенного раствора избыток вещества иногда не кристаллизуется; такой неустойчивый раствор называют пересыщенным. Массовая доля в насыщенном растворе связана с коэффициентом растворимости: $\omega = \frac{S}{100 + S}$ .

Массовая доля растворённого вещества

\omega = \frac{m_{\text{в-ва}}}{m_{\text{р-ра}}},

m_{\text{р-ра}} = m_{\text{в-ва}} + m_{\text{воды}}.

Чтобы выразить долю в процентах, умножают на 100. Например, в каждых 100 г 15%-го раствора содержится 15 г вещества и 85 г воды.

В задачах главное — следить за массой растворённого вещества:

при добавлении воды (разбавлении) масса вещества не меняется, масса раствора растёт;
при выпаривании воды масса вещества не меняется, масса раствора уменьшается;
при смешивании двух растворов массы веществ складываются: $\omega = \frac{m_1\omega_1 + m_2\omega_2}{m_1 + m_2}$ .

При растворении кристаллогидрата его кристаллизационная вода переходит в растворитель.

Молярная концентрация

Молярная концентрация — количество растворённого вещества в 1 л раствора:

C_M = \frac{n}{V} = \frac{m}{M\cdot V},

единица — моль/л. Например, в каждом литре 2 М раствора содержится 2 моль вещества. Объём обязательно берут в литрах.

Чтобы перейти от массовой доли к молярной концентрации, нужна плотность раствора ( $\rho$ , г/мл):

C_M = \frac{10 \cdot \omega(\%) \cdot \rho}{M}.

Например, для 20%-го раствора NaOH с плотностью 1,2 г/мл: $C_M = \frac{10 \cdot 20 \cdot 1{,}2}{40} = 6$ моль/л. Проверка: масса 1 л раствора 1200 г, в ней 240 г, то есть 6 моль NaOH.

Запомните

Растворение — физико-химический процесс; гидратация лежит в основе гидратной теории Менделеева.
При нагревании растворимость большинства твёрдых веществ растёт, а газов падает; давление увеличивает растворимость газов.
$\omega = \frac{m_{\text{в-ва}}}{m_{\text{р-ра}}}$ ; в насыщенном растворе $\omega = \frac{S}{100 + S}$ .
$C_M = \frac{n}{V}$ (моль/л); $C_M = \frac{10\,\omega(\%)\,\rho}{M}$ .
При разбавлении и выпаривании масса растворённого вещества не меняется.

Разобранные примеры

Пример 1
Коэффициент растворимости соли при $60^\circ$ C равен 60 г (на 100 г воды). Найдите массовую долю соли в насыщенном при этой температуре растворе и массу соли в 400 г такого раствора.
Решение
1. 100 г воды + 60 г соли = 160 г насыщенного раствора.
2. $\omega = \frac{60}{160} = 0{,}375$ , то есть $37{,}5\%$ .
3. $m(\text{соли}) = 400 \cdot 0{,}375 = 150$ г (воды 250 г).
Ответ: $37{,}5\%$ ; 150 г соли.
Пример 2
Сколько граммов медного купороса $\mathrm{CuSO_4 \cdot 5H_2O}$ и воды нужно взять, чтобы приготовить 400 г 8%-го раствора сульфата меди(II)?
Решение
1. В растворе должно быть безводной соли: $m(\mathrm{CuSO_4}) = 400 \cdot 0{,}08 = 32$ г.
2. $M(\mathrm{CuSO_4}) = 160$ г/моль, $M(\mathrm{CuSO_4 \cdot 5H_2O}) = 160 + 90 = 250$ г/моль.
3. В 250 г купороса содержится 160 г $\mathrm{CuSO_4}$ , значит, купороса нужно $m = \frac{32 \cdot 250}{160} = 50$ г.
4. Воды: $400 - 50 = 350$ г.
Ответ: 50 г медного купороса и 350 г воды.

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

К 150 г 20%-го раствора добавили 50 г воды. Какова массовая доля вещества в полученном растворе?
1. 10%
2. 12%
3. 15%
4. 16%
5. 25%
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C 15%
Масса вещества: $150 \cdot 0{,}2 = 30$ г, при разбавлении она не меняется. Масса нового раствора $150 + 50 = 200$ г. $\omega = \frac{30}{200} = 0{,}15$ , то есть $15\%$ .
В 250 мл раствора содержится 4 г NaOH. Найдите молярную концентрацию раствора.
1. 0,1 моль/л
2. 0,2 моль/л
3. 0,25 моль/л
4. 0,4 моль/л
5. 0,8 моль/л
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D 0,4 моль/л
$n(\mathrm{NaOH}) = \frac{4}{40} = 0{,}1$ моль, $V = 0{,}25$ л. $C_M = \frac{0{,}1}{0{,}25} = 0{,}4$ моль/л. Ответ A получается, если забыть разделить количество вещества на объём.
Какие условия увеличивают растворимость газов в воде?
1. охлаждение и повышение давления
2. нагревание и повышение давления
3. нагревание и понижение давления
4. охлаждение и понижение давления
5. температура и давление не влияют на растворимость газов
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: A охлаждение и повышение давления
При нагревании растворимость газов уменьшается (из нагретой газировки выходит газ), а при повышении давления растёт. Значит, нужно и охлаждать, и повышать давление.

Типичные ошибки

Делить массу вещества на массу воды, а не раствора; $\omega$ всегда считают от массы раствора.
Принимать всю массу кристаллогидрата за безводную соль при приготовлении раствора; долю безводной соли находят по отношению молярных масс.
Подставлять в молярную концентрацию объём в миллилитрах; объём обязательно должен быть в литрах.

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото