Концентрация растворов. Массовые доли.

Свойства растворов зависят не только от того, что и в чем растворено, но и от количественного содержания растворенного вещества. Это подтверждается многочисленными наблюдениями из повседневной жизни. Раствор обычной пищевой соли может иметь и сильно-, и средне-, и слабо соленый вкус.

Силу воздействия перманганата калия можно предвидеть по интенсивности окраски раствора. Одна таблетка лекарства действует слабее, чем две таблетки, так как в обоих случаях лекарство распределяется в одном и том же объеме организма.

       В чем источник различия между растворами одного и того же вещества? Может быть, это разные массы вещества? Или разные объемы растворов? Посмотрим, как это выглядит на практике.

       Опыт 1. Чайную ложку соли растворяют в стакане воды, а столовую ложку – в ведре воды. Какой раствор окажется солонее? Все быстро дают один и тот же правильный ответ: раствор в стакане. Соли растворено в ведре воды в 4 раза больше, чем в стакане, но при этом объем ведра в 40 раз больше, чем объем стакана. Именно поэтому раствор в стакане солонее.

Мы подошли к строгому определению характеристики раствора, которую в повседневной жизни часто называют крепость (крепкая серная кислота, крепкий напиток), а в науке принят термин «концентрация».

       Концентрация – это относительное содержание растворенного вещества.

       Применяются различные виды количественного выражения концентрации.

       Массовая доля вещества в растворе – это отношение массы данного вещества к массе всего раствора:

Пример 1. Приготовили раствор из 20г хлорида натрия и 80г воды. Найдите массовые доли вещества в растворе.

Решение. Пусть NaCl – вещество 1, а вода – 2:

       Соли и другие вещества можно растворять в воде как в безводном состоянии, так и в виде кристаллогидратов. Однако массовую долю целесообразно всегда выражать на основе содержания безводного вещества. Когда раствор приготовлен, уже невозможно установить, в каком состоянии было взято вещество для растворения. Чтобы не возникло путаницы, состав раствора должен выражаться единообразно.

Пример 2. В воде массой 80г растворили 20г декагидрата сульфата натрия

Na₂SO₄ 10H₂O. Рассчитайте массовую долю соли в растворе.

Решение. При растворении кристаллогидрата в раствор дополнительно вносится вода. Масса безводного вещества оказывается меньше, чем в примере 1, а масса воды больше. Рассчитаем массу безводного вещества, представив мысленно, что кристаллогидрат теряет воду:

               Na₂SO₄ 10H₂O = Na₂SO₄  + 10H₂O

М, г/моль         322            142

m, г                    20             8,82

n, моль            0,0621        0,0621  

Массу раствора вычислим по балансу, то есть сложим данные массы, так как они полностью пошли на образование раствора.

Получаем:

Рассмотрим решение задачи на повышение концентрации имеющегося раствора.

Пример 3. Какую массу сахара следует добавить к 180г раствора с массовой долей 15%, чтобы повысить массовую долю до 25%.

Решение. При добавлении сахара к раствору увеличивается как масса сахара, так и масса раствора. Сначала найдем имеющуюся массу сахара:

   m₀ = m _p-p

Далее вычисляем недостающую массу сахара, которую следует добавить:

 m=24

Пример 4. Найдите массу карбоната натрия в растворе объемом 200мл с массовой долей 14%. Плотность раствора 1,146г/мл.

Решение. По формуле:              

Массу раствора рассчитывают по данным условия:

m _p-p = Vp

Подставляем численные значения:

                             m _p-p = 200мл 1,146г/мл =229,2г

                             m₁ = 229,2г 14%/100% = 32,1г.

При внесении вещества в растворитель может происходить химическая реакция, в результате чего получается раствор нового вещества.

Пример 5. Какую массу натрия следует внести в 1л воды, чтобы получить 20% раствор гидроксида натрия?

Решение. Натрия реагирует с водой, образуя гидроксид натрия и водород:

Na,m=?      H₂

На основании данной схемы можно написать уравнение:

В этом уравнении 3 неизвестные массы, но они связаны между собой уравнением химической реакции:

                       2Na + 2H₂O = 2NaOH    + H₂

M, г/моль        23                                       40          2

n₀, моль           2х                                         0          0

n_k, моль           0                                          2х         х

m, г                2х 23                                   2х 40    х 2

Подставляем массы, выраженные через неизвестное х в уравнение:

 x=2,81моль

Находим массу натрия: m(Na) = 2 2,81моль 23г/моль = 129г.

Попутно можно отметить, что если бы действительно пришлось осуществлять работу, то натрий можно было бы добавлять лишь малыми порциями во избежание взрыва и пожара.