Приготовление растворов заданной концентрации
Цель работы:приготовить растворы заданной концентрации различными способами.
Оборудование и реактивы: аналитические весы, наборы разновесов, ареометр, стеклянные стаканы, мерный цилиндр, пипетка, резиновая груша, стеклянная палочка, дистиллированная вода, концентрированный раствор щёлочи NaOH, раствор хлорида натрия NaCl 2Н и 0,1Н, кристаллогидрат сульфата меди (II) СuSO4∙5H2O.
Теоретическая часть:
Раствор – гомогенная (однородная) смесь, образованная не менее чем двумя компонентами, один из которых называется растворителем, а другие растворимы в нём, это также система переменного состава, находящаяся в состоянии химического равновесия
Существует несколько способов классификации растворов. Так, основываясь на величине электрической проводимости, различают растворы электролитов и неэлектролитов. Можно классифицировать растворы по агрегатному состоянию системы и тех частиц, из которых она состоит.
Возможна классификация раствора по количеству растворенного вещества в нем присутствующего. Если молекулярные или ионные частицы, распределённые в жидком растворе, присутствуют в нём в таком количестве, что при данных условиях не происходит дальнейшего растворения вещества, раствор называется насыщенным. (Например, если поместить 50 г NaCl в 100 г H2O, то при 20ºC растворится только 36 г соли). Насыщенным называется раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворённого вещества. Поместив в 100 г воды при 20ºC меньше 36 г NaCl мы получим ненасыщенный раствор. При нагревании смеси соли с водой до 100○C произойдёт растворение 39,8 г NaCl в 100 г воды. Если теперь удалить из раствора нерастворившуюся соль, а раствор осторожно охладить до 20ºC, избыточное количество соли не всегда выпадает в осадок. В этом случае мы имеем дело с перенасыщенным раствором. Перенасыщенные растворы очень неустойчивы. Помешивание, встряхивание, добавление крупинок соли может вызвать кристаллизацию избытка соли и переход в насыщенное устойчивое состояние.
Количественный состав раствора чаще всего выражается с помощью понятия «концентрации», под которым понимается содержание растворенного вещества (в определенных единицах) в единице массы или объема.
Договорились растворенное вещество обозначать через X, а растворитель - через S.
Чаще всего для выражения состава раствора используют массовую долю, молярную концентрацию (молярность) и мольную долю.
Массовая доля - это отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора. Для бинарного раствора:
(1)
где ω(Х) - массовая доля растворенного вещества X; m(Х) масса растворенного вещества X, г; m(S) - масса растворителя S, г; m= [m(Х) + m(S)] - масса раствора, г.
Массовую долю выражают в долях единицы или в процентах (например: ω = 0,01 или ω = 1%).
Молярная концентрация (молярность) показывает число молей растворенного вещества, содержащегося в 1 литре раствора:
С(Х) = v(Х) / V (2)
где С(Х) - молярная концентрация растворенного вещества X, моль/л; v(Х) - количество растворенного вещества X, моль; V - объем раствора, л.
Как следует из (2), молярная концентрация выражается в моль/л. Эта размерность иногда обозначается М, например: 2М NаОН.
Мольная доля растворенного вещества - безразмерная величина, равная отношению количества растворенного вещества к общему количеству веществ в растворе:
(3)
где N(Х) - мольная доля растворенного вещества X; v(Х) - количество растворенного вещества X, моль; v(S) - количество вещества растворителя S, моль.
Нетрудно представить, что сумма мольных долей растворенного вещества и растворителя равна 1:
N(X) + N(S) = 1. (4)
При решении многих задач полезно переходить от молярной концентрации к массовой доле, мольной доле и т.д. Например, молярная и процентная концентрации взаимосвязаны так:
C(X) = 10 ∙ ω(X) ∙ ρ / M(X), (5)
ω(X) = C(X) ∙ M(X) / (10 ∙ ρ) (6)
где ω(Х) - массовая доля растворенного вещества, выраженная в %; М(Х) - молярная масса растворенного вещества, г/моль; р = m/(1000 V) - плотность раствора, г/мл.
Очень часто концентрацию насыщенного раствора, наряду с вышеперечисленными характеристиками, выражают через так называемый коэффициент растворимости или просто растворимость вещества.
Отношение массы вещества, образующего насыщенный раствор при данной температуре, к массе растворителя называют коэффициентом растворимости:
ks = mв-ва / mр-ля . (7)
Растворимость вещества s показывает максимальную массу вещества, которая может раствориться в 100 г растворителя:
s = (mв-ва / mр-ля) ∙ 100. (8)
Практическая часть:
а) Приготовить разбавленный раствор соли:
Цель работы:приготовить 100 грамм 5% раствор безводного сульфата меди (II).
1) Для приготовления 5% раствора безводной соли сульфата меди (II) необходимо узнать массу кристаллогидрата сульфата меди (II) (так как безводной соли сульфата меди (II) нет), которую необходимо растворить в воде.
m(CuSO4) = 0.05∙100 = 5 (грамм)
n(CuSO4) = 5/160 = 0.03125 (моль), значит n(CuSO4∙5H2O) = 0.03125 (моль)
m(СuSO4∙5H2O) = 0.03125∙250 = 7.8125 (грамм) – необходимо взвесить на весах.
n(H2O) = 0.03125 (моль)
m(H2O) = 5∙18∙0.03125 = 2.8125 (грамм) – выделиться при растворении кристаллогидрата сульфата меди (II).
m(H2O) = 100-5-2.8125 = 92.1875 (грамм) – необходимо для приготовления 100 грамм
безводного раствора сульфата меди (II).
V(H2O) = m(H2O)/ 
(H2O)
V(H2O) = 92.1875 / 1 = 92.1875 (мл.)
Взвесили на аналитических весах 7,8125 грамм кристаллогидрата сульфата меди (II);
2) Отмерили мерным цилиндром 92,2 мл. дистиллированной воды, и перелили её в стакан;
3) Добавили в этот стакан навеску кристаллогидрата сульфата меди (II) и перемешивали полученный раствор до полного растворения соли;
4) Перелили полученный раствор в чистый мерный цилиндр, для того чтобы измерить плотность полученного раствора с помощью ареометра. Показание ареометра составило 1,051 гр./см3.
Вывод:
Полученное значение плотности раствора соответствует справочным данным о плотности 5 % раствора соли сульфата меди (II), т.е. концентрация приготовленного нами раствора действительно 5%.
б) Приготовление разбавленного раствора:
Цель работы:приготовить 100 мл. разбавленного раствора гидроксида натрия NaOH 0,1Н.
1) Определили с помощью ареометра плотность концентрированной щёлочи. Показание ареометра составило 1,057 гр./см.3, что по справочным данным соответствует массовой доли щёлочи в растворе 15%.
Для приготовления 100 мл. раствора гидроксида натрия 0,1 Н необходимо разбавить дистиллированной водой имеющийся 15% раствор щёлочи.
m(р-ра) = V(р-ра)∙ (р-ра)
m(р-ра) = 100∙1.057 = 105.7 (грамм)
m(NaOH) = 105.7∙0.15 = 15.855 (грамм)
n(NaOH) = 15.855/40 =0.4 (моль)
0,4 моль – 100 мл.
х моль – 1000 мл.
Значит в 1000 мл. (1 литр) содержится 4 моль гидроксида натрия, поэтому Cн=4Н
4/0,1 = 40 – значит для получения 0,1Н раствора из 4Н необходимо его разбавить в 40 раз.
Н2О : NaOH (4Н)
39 : 1
39х + 1х = 100
40 х = 100
х = 2,5 – Значит необходимо смешать 2,5 мл. NaOH (4Н) и 97,5 мл. дистиллированной воды для получения NaOH (0,1Н)
2) С помощью ареометра определили плотность получившегося раствора – она составила 1,002 гр./см.3.
3) Титрованием определили концентрацию получившегося раствора. Она оказалось равна 0,1Н.
Вывод:
Полученное значение концентрации раствора гидроксида натрия совпадает с заданной концентрацией 0,1Н, что соответствует правильности выполнения опыта.
в) Приготовление раствора смешиванием двух растворов различной концентрации:
Цель работы: приготовить 100 гр. 8% раствора хлорида натрия NaCl, смешиванием растворов этой же соли 2 Н и 0,1Н.
1) Для приготовления 100 мл. 8% раствора хлорида натрия необходимо смешать определённые объёмы двух исходных растворов этой соли.
m(NaCl) = 0.08∙100 = 8 (грамм)
m(H2O) = 100-8=92 (грамма)
V(H2O) = 92 мл.
n(NaCl) = 8/58.5 = 0.137 (моль)
Сн=0,137/0,092 = 1,49 Н
Пусть х – объём хлорида натрия 2 Н
1,49 = (2∙x + 0.1∙(0.1-x))/0.1
x = 0.073 (л) = 73 мл.
Значит необходимо смешать 73 мл. раствора хлорида натрия 2 Н и 27 мл. . раствора хлорида натрия 0,1 Н.
2) Затем с помощью ареометра определили плотность получившегося раствора – она составила 1,055 гр./см.3.
Вывод:
Полученное значение плотности раствора соответствует справочным данным о плотности 8% раствора соли хлорида натрия, т.е. концентрация приготовленного нами раствора действительно 8%.
Список литературы:
- Фролов В. И. Практикум по общей и неорганической химии. – М., 2002. – С. 74-79.
- Некрасов Б. В. Основы общей химии. Том 1 (3). – М. "Химия", 1969. – С. 155, 158, 160, 162, 168