Растворенным веществом, независимо от его количества, считается тот компонент, который придает системе специфические свойства.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.
Приготовление растворов заданного количественного состава. Определение концентрации растворов титрованием.
Разделы теоретического курса для повторения.
Дисперсные системы. Дисперсионная среда и дисперсная фаза. Коллоиды. Суспензии. Эмульсии. Истинные растворы.
Растворимость. Насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы. Коэффициент растворимости. Тепловые эффекты при растворении. Сольваты и гидраты. Связь между массой раствора и его объемом. Способы количественного выражения состава растворов. Концентрированные и разбавленные растворы. Массовая, объемная и мольная (молярная) доли растворенного вещества в растворе.
Массовая, молярная и нормальная концентрации. Титр. Моляльность растворов.
Закон эквивалентов для растворов. Титрование, как метод определения концентрации растворенного вещества в растворе.
При изучении теории по этому разделу и для подготовки к лабораторной работе рекомендуется воспользоваться материалом, изложенным в гл. 7 учебного пособия Рыбальченко В.С. « Основы общей химии» и изучить материал, предлагаемый в следующем разделе.
Теоретическая часть.
Понятию "система" дается следующее определение:
Система - это тело или совокупность тел, обособленных от окружающей среды физическими или мысленными границами.
Химические вещества, входящие в состав системы, являются ее составными частями, или компонентами.
Системы могут быть одно- или многокомпонентными. Если компоненты в системе равномерно распределены друг в друге (диспергированы), то такие системы называются дисперсными системами.
Совокупность одинаковых (по составу, структуре и свойствам) участков системы называется фазой. Однородные, однофазные системы называются гомогенными. Неоднородные многофазные системы называются гетерогенными.
Отдельные части гетерогенных систем (фазы) имеют поверхность раздела.
Например, кристаллы льда, находящиеся в жидкой воде, образуют одну фазу, жидкая вода - вторую, а водяной пар – третью фазу. Эти фазы отделены друг от друга поверхностями раздела. Таким образом, в данном случае мы имеем дело с гетерогенной трехфазной (твердое тело, жидкость, газ), однокомпонентной (H2O) системой.
Растворы представляют собой один из видов дисперсных систем.
Растворами называются визуально (на глаз) гомогенные дисперсные системы, состоящие, как минимум, из двух компонентов и продуктов их взаимодействия.
Основными компонентами растворов являются растворитель и растворенное вещество.
Растворенным веществом, независимо от его количества, считается тот компонент, который придает системе специфические свойства.
В зависимости от агрегатного состояния растворы могут быть твердыми (сплавы металлов, некоторые минералы) и жидкими (растворы щелочей, морская вода).
Подробнее остановимся на жидких растворах, в которых растворитель - жидкость.
По исходному агрегатному состоянию растворяемого вещества газ (г), жидкость (ж) или твердое тело (т) жидкие растворы можно разделять на 3 группы : (ж + г), (ж + ж) и (ж + т).
К первой из них относятся такие системы, как растворы соляной, сероводородной и сернистой кислот, представляющие собой водные растворы газообразных HCI, H2S, SO2.
К системе (ж + ж) относятся растворы спиртов, эфиров, уксусной и азотной кислот в воде.
Третья группа растворов является самой многочисленной, т.к. к ней относятся водные растворы большинства солей, щелочей, твердых кислот (например, борной, лимонной).
По типу взятого растворителя различают водные (растворитель - H2O) и неводные растворы (растворитель - бензол, хлороформ, ацетон и др.).
Все растворы относятся к дисперсным (раздробленным) системам.
По размеру диспергированных частиц все растворы подразделяются на истинные и коллоидные. Раствор является истинным (гомогенной системой), если растворенное вещество не образует отдельную фазу. Считается, что раствор будет истинным, если размер частиц растворенного вещества мал и не превышает 10А0 (10-9 м), т.е. они представляют собой отдельные молекулы или ионы.
При увеличении размеров диспергированных частиц в растворе от 1 до 1000 А0 (от 10-5 до 10-7 см) система приобретает специфические свойства, связанные с очень большой поверхностью раздела фаз. Такие системы называют микрогетерогенными или коллоидными.
Частицы коллоидных размеров называются мицеллами.
Гетерогенные дисперсные системы, содержащие частицы размером более 1000 А0 (более 10-5 см), являются грубодисперсными. Они обычно неустойчивы и быстро разрушаются. К ним относятся, например, пены (газ в жидкости), эмульсии (жидкость в жидкости) и суспензии (твердые вещества в жидкостях).
Прямой процесс растворения вещества в растворителе сопровождается обратным процессом - выделения растворенного вещества из раствора. Для твердых веществ обратным процессом является кристаллизация вещества из раствора.
Вещество прекращает растворяться, когда наступает состояние динамического равновесия прямого и обратного процессов и скорость кристаллизации становится равной скорости растворения. Такой раствор называется насыщенным. При сохранении условий неизменными, концентрацию растворяемого вещества в нем повысить невозможно.
Если в растворе содержится растворенного вещества меньше, чем может раствориться при данных условиях, то он называется ненасыщенным.
В пересыщенном растворе растворено вещества больше, чем может раствориться при данных условиях растворения. Получают такие растворы осторожным охлаждением насыщенных при более высокой температуре растворов или при выпаривании части растворителя из насыщенного раствора. Пересыщенные растворы обычно не стабильны и избыток растворенного вещества легко выделяется из раствора.
Растворимость вещества (S) измеряется концентрацией (см. далее) растворенного вещества в его насыщенном растворе.
Количественное значение растворимости можно оценить, например, с помощью коэффициента растворимости. Коэффициент растворимости представляет собой максимальную массу вещества в граммах, которая может раствориться в 100 г растворителя при данной температуре. В зависимости от величины коэффициента растворимости все вещества можно разделить на:
хорошо растворимые (коэффициент растворимости S > I г в 100 грастворителя), например KJ , AgNO3,
малорастворимые (10-3 г <S < I гв 100 г растворителя), например, Mg(ОH)2, СаSО4, СН4, N2, O2.
практически нерастворимые (коэффициент растворимости S < 10 -3 гв 100 г растворителя), например Аg, BaSO4, стекло.
Не существует абсолютно нерастворимых веществ.
При изучении теоретического материала по теме следует учесть, что в настоящее время для выражения количественного состава растворов используются различные способы. Наиболее часто используются следующие:
1. Концентрированный раствор - раствор, содержащий относительно большое количество растворенного вещества. В этом случае масса растворенного вещества соизмерима с массой растворителя.
Например, в 100 г воды растворено 30 г хлорида натрия (30г и 100г - сравнимые величины). Такой раствор можно считать концентрированным.
2. Разбавленный раствор – это раствор, в котором содержание растворенного вещества мало по сравнению с массой растворителя.
Например, в 100 г воды растворено 0,1 г гидроксида натрия. Это разбавленный раствор, так как массы растворенного вещества и растворителя сильно отличаются друг от друга.
Термины концентрированный и разбавленный используются лишь для приблизительного выражения количественного состава растворов. Границы между этими понятиями достаточно условны.
Для точного выражения количественного состава растворов используют следующие способы:
1. Массовая доля(ранее использовался термин «процентная концентрация»). Массовая доля показывает отношение массы данного компонента, содержащегося в системе (растворе), к общей массе этой системы (раствора). Обычно массовая доля выражается в долях единицы или процентах и обозначается греческой буквой ω (омега):
При выражении массовой доли раствора (в процентах), ее значение показывает массурастворенного вещества (в граммах), содержащееся в 100 г раствора.
Например, раствор с массовой долей KNO3 равной 24% содержит в растворе массой 100 г: растворенное вещество (нитрат калия) массой 24 г и растворитель (воду) массой (100 – 24) = 76 г
2. Объемная доля. Этот способ выражения количественного состава представляет собой отношение объема компонента (растворенного вещества), содержащегося в системе (растворе), к общему объему системы (раствора). Объемная доля выражается либо в долях единицы, либо в процентах и обозначается греческой буквой j (фи).
∙ 100%
При выражении объемной доли (в процентах) ее значение показывает объем растворенного вещества (в соответствующих единицах объема), содержащийся в 100аналогичных единицах объема раствора.
3. Мольная (молярная) доля. Этот способ выражения количественного состава растворов представляет собой отношение количества вещества (в молях) компонента, содержащегося в данной системе, к сумме количеств всех веществ в системе. Выражается в долях единицы, либо в процентах и обозначается греческой буквой 
(хи):
где ν – количество вещества в молях,
∑ν (раствора) - сумма количеств всех веществ в растворе.
Например, раствор с мольной долей 
= 2 % этанола содержит 2 моль этанола на 100 моль системы ( 2 моль этанола и
100 – 2 = 98 моль воды.)
Если для количественной оценки состава раствора используют отношение массы вещества (m) или его количества (ν) к общему объему раствора (V), то применяют понятие “концентрация” (С).
4. Массовая концентрация. Представляет собой отношение массы компонента, содержащегося в системе (растворе), к объему этой системы (раствора).
где: m - масса растворенного вещества;
V – объем раствора.
Наиболее часто используется массовая концентрация, имеющая размерности -[ кг/м3 ],[ г/л ], [г/см3 ], [мг/л ].
Масса вещества в граммах, содержащегося в одном кубическом сантиметре или одном миллилитре раствора, называется титром раствора.
Например, раствор с титром Т = 0,05, содержит 0,05 г растворенного вещества в 1 мл раствора.
5. Молярная концентрация. Представляет собой отношение количества растворенного вещества (в молях) к объему раствора (в литрах).
Значение молярной концентрации показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в растворе объемом 1 литр, имеет размерность [моль/л] и обозначается См:
где: ν - количество растворенного вещества (в молях);
V - объем раствора (в литрах).
Например, раствор серной кислоты с молярной концентрацией СM(H2SO4)=2 моль/л содержит в объеме, равном 1 литр, серную кислоту количеством вещества 2 моль.
6. Нормальная концентрация.В настоящее время чаще употребляется термин «молярная концентрация эквивалента». Этот способ выражения количественного состава растворов представляет собой отношение количества эквивалентов растворенного вещества (в молях) к объему раствора (в литрах).
Значение нормальной концентрации показывает количество эквивалентов растворенного вещества (в молях), которое содержится в 1 литре раствора.
Размерность нормальной концентрации - [моль/л].
Например, раствор гидроксида бария с молярной концентрацией эквивалента С(1/2 ВаCl2) = 4 моль/л (нормальной концентрацией СH(ВаCl2) = 4 моль/л) содержит четыре моль эквивалентов ВаСl2 в растворе объемом 1 литр.
7. Моляльность. Моляльность раствора характеризуется количеством растворенного вещества в молях, приходящихся на 1 кг растворителя в данном растворе.
Наконец, характеризуя количественный состав системы, можно говорить об отношениях массы (или объема или количеств вещества) компонента к массе (или объему или количеству вещества) всей системы. В этом случае мы имеем дело с отношением, которое может быть, соответственно: массовым, объемным или молярным.
Например, если объемное отношение концентрированной серной кислоты и воды равно:
V (H2SO4) : V (H2O) = 1 : 2
это значит, что для приготовления данного раствора необходимо к 1 объему концентрированной серной кислоты добавить 2 объема воды.
При решении задач на смешивание растворов одного и того же вещества или при решении задач на разбавление более концентрированных растворов более разбавленными растворами или водой удобно пользоваться “правилом смешения растворов” (квадратом Пирсона):
раствор с большей масса раствора с большей
массовой долей массовой долей
ω1 раствор с требуемой ωтреб – ω2 => m1
массовой долей
ωтреб.
ω2 ω1 – ωтреб. => m2
раствор с меньшей масса раствора с меньшей
массовой долей массовой долей
В случае разбавления раствора с большей массовой долей растворенного вещества водой, значение массовой доли более разбавленного раствора (в данном случае воды) принимается равным нулю (ω2 = 0).
Для практического определения количественного состава растворов в лабораторной практике часто используется метод титрования
Титрование (титриметрия) — метод количественного анализа, основанный на измерении объема раствора реактива с точно известной концентрацией, прореагировавшего с определенным объемом раствора анализируемого вещества.
При проведении титрования к измеренному пипеткой или пипет-дозатором объему анализируемого раствора, находящегося в конической колбе, постепенно прибавляют из бюретки титрованный раствор реактива (т.е. раствор с известной концентрацией). Титрование заканчивают, когда анализируемое вещество полностью прореагирует с добавляемым реактивом. Конец титрования (точку эквивалентности) устанавливают по изменению окраски соответствующего индикатора или другими способами (по электропроводности, светопропусканию, потенциалу индикаторного электрода и т.д.) Далее по шкале бюретки определяют объем раствора реагента, пошедшего на титрование.
Используя закон эквивалентов для растворов, в соответствии с которым произведение нормальной концентрации раствора одного из взаимодействующих веществ на объем этого раствора равно произведению нормальной концентрации раствора другого взаимодействующего вещества на объем раствора этого вещества можно найти искомую величину нормальной концентрации определяемого вещества в растворе.
Снорм 1 ∙ V1 = Снорм. 2 ∙ V2 где:
Снорм. 1 и V1 - нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента) и объем раствора анализируемого вещества,
Снорм. 2 и V 2- нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента) и объем раствора с известной концентрацией.
Титриметрический анализ может быть основан на различных типах химических реакций: