Теоретический материал

Моля́рный объём — объём одного моля вещества, величина, получающаяся от деления молярной массы на плотность. Характеризует плотность упаковки молекул.

Значение NA = 6,022…×1023 называется числом Авогадро в честь итальянского химика Амедео Авогадро. Это универсальная постоянная для мельчайших частиц любого вещества.

Именно такое количество молекул содержит 1 моль кислорода О2, такое же количество атомов в 1 моль железа (Fe), молекул в 1 моль воды H2O и т. д.

Важнейшей характеристикой раствора является содержание в нем растворенного вещества, которое называется концентрацией раствора. Концентрацию раствора выражают многими способами, но чаще всего применяются два способа.

1. Массовая доля растворенного вещества (w). Это отношение массы растворённого вещества к массе раствора. Например, 20%-й раствор гидроксида натрия – это такой раствор, в 100 кг (или г) которого содержится 20 кг (или 20 г) NaOH и 80 кг (или 80 г) воды.

Если растворенное вещество является жидким, то состав такого раствора может быть выражен не только в массовых, но и в объемных долях или объемных процентах. Объемная доля растворенного вещества (φ) – это отношение объема этого вещества к объему всего раствора. Например, если в 0,5 л раствора содержится 200 мл этанола, то его объемная доля равна 0,4, или 40 %.

2. Молярная концентрация (СМ) – это количество растворенного вещества в одном литре раствора. Например, в одном литре двумолярной (2 М) серной кислоты содержится 2 моль, то есть 196 г H2SO4, а в таком же объёме децимолярной (0,1 М) кислоты – 9,8 г H2SO4.

Плотность раствора отличается от плотности растворителя. Растворы неорганических соединений, молярная масса которых больше молярной массы воды (18 г/моль), имеют плотность больше плотности воды, причем с увеличением концентрации растворов их плотность увеличивается.

Взаимосвязь плотности и концентрации раствора выражается в виде таблиц; такая таблица имеется в справочнике, которым пользуются студенты (таблица ).

C концентрацией растворов связано много различных расчётов, которые проводятся не только в химии и химической технологии, но и в других областях техники, в которых применяются растворы.

 

Ход выполнения практической работы:

 

1. 2 г сплава меди с алюминием обработали раствором щелочи. Остаток растворили в разбавленной азотной кислоте, образовавшуюся при этом смесь выделили и прокалили. Масса остатка после прокаливания составила 0,8 г. Определите объем израсходованного 40%-го раствора гидроксида натрия (плотность 1,22 г/мл) и содержание металлов в сплаве.

 

Дано:

m (Cu+Al) = 1,2 г

m (остатка) = 0,8 г

ω (NaOH) = 40%

r (p-pa NaOH) = 1,22 г/мл

М (NaOH) = 40 г/моль

М (Cu) = 64 г/моль

М (Al) = 27 г/моль

М (CuO) = 80 г/моль

 

Найти :

V (p-pa NaOH)

ω (Cu)

ω (Al)

Решение:

Для решения задачи необходимо знать химические свойства меди и алюминия. Медь обладает металлическими свойствами и не реагирует со щелочами. С раствором гидроксида натрия будет реагировать только алюминий, который проявляет амфотерные свойства:

2Al + 2NaOH + 6H₂O = 2Na[Al(OH)₄] + H₂ (1)

Остатком является медь, которую растворили в разбавленной азотной кислоте:

3Cu + 8HNO₃ = 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O (2)

После выделения и прокаливания смеси образуется оксид меди (II):

2Cu(NO₃)₂ = 2CuO + 4NO₂ + O₂ (3)

Определим массу меди в исходной смеси. Для этого найдем количество вещества оксида меди (II), по условию задачи его масса равна 0,8 г:

(моль).

По уравнению (3) 2 моль оксида меди (II) образуется из 2 моль нитрата меди (II), (соотношение n(CuO) : n(Cu(NO₃)₂) = 1 : 1), следовательно, 0,01 моль оксида меди (II) образуется из 0,01 моль нитрата меди (II). По уравнению (2) из 3 моль меди дает 3 моль нитрата меди (II) (соотношение n(Cu) : n(Cu(NO₃)₂) = 1 : 1), тогда для образования 0,01 моль нитрата меди (II) необходимо 0,01 моль меди. Количество вещества меди равно 0,01 моль. Рассчитаем массу меди в исходной смеси:

m = n · M = 0,01 · 64 = 0,64 г.

По условию задача масса смеси равна 2 г, определим массу алюминия:

m(Al) = m(смеси) – m(Cu) = 2 – 0,64 = 1,36 (г).

Рассчитаем массовые доли металлов в смеси:

(%);

(%).

Для определения объема израсходованного раствора гидроксида натрия, необходимо определить количество вещества NaOH вступившего во взаимодействие с алюминием. По уравнению реакции (1) 2 моль Al реагирует с 2 моль NaOH (соотношение n(Al) : n(NaOH) = 1 : 1). Количество вещества алюминий равно:

моль,

следовательно, количество вещества n (NaOH) = 0,05 моль.

Определим массу гидроксида натрия:

m (в-ва) = n · M = 0,05 · 40 = 2 (г).

Вычислим массу раствора гидроксида натрия, зная массовую долю NaOH в растворе:

(г).

Определим объем раствора 40%-го раствора гидроксида натрия необходимый для взаимодействия:

(мл).

Ответ: V (p-pa NaOH) = 4,1 мл; ω (Cu) = 32%, ω (Al) = 68%.

2. При растворении 3 г сплава меди и серебра в концентрированной азотной кислоте получили 7,34 г смеси нитратов. Определите массовые доли металлов в сплаве.

Дано:

m (Cu+Ag) = 3 г

М (Cu) = 64 г/моль

М (Ag) = 108 г/моль

М (Cu(NO₃)₂) = 188 г/моль

М (AgNO₃) = 170 г/моль

Найти:

ω (Cu)

ω (Ag)

Решение:

На примере решения данной задачи рассмотрим два способа решения задач на определение состава смеси.

Первый способ (алгебраический):

Запишем уравнения реакций растворения меди и серебра в концентрированной азотной кислоте:

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O (1)

Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂ + H₂O (2)

Обозначим массу меди в сплаве – х г, а массу нитрата меди (II) – у г, тогда масса серебра в сплаве – (3 – х) г, а масса нитрата серебра – (7,34 – у) г.

По уравнению (1) количество вещества меди вступившего в реакцию равно количеству вещества нитрата меди (II) образовавшемуся в результате взаимодействия:

или

По уравнению (2) количество вещества серебра вступившего в реакцию равно количеству вещества нитрата серебра образовавшемуся в результате взаимодействия:

или

Получили систему уравнений с двумя неизвестными:

Решив систему уравнений методом подстановки, найдем значение х равное 1,92 г, то есть масса меди в сплаве равна 1,92 г. Тогда масса серебра составляет:

m (Ag) = m (сплава) – m (Cu) = 3 – 1,92 = 1,08 (г)

Рассчитаем массовые доли металлов в смеси:

(%);

(%).

Ответ: ω(Cu) = 64%, ω(Al) = 36%.

Второй способ (мольный):

Запишем уравнения реакций растворения меди и серебра в концентрированной азотной кислоте:

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O (1)

Ag + 2HNO₃ = AgNO₃ + NO₂ + H₂O (2)

Обозначим количество меди в сплаве – х моль, а количество серебра – у моль. Тогда масса меди будет равна 64х (m =n·M), а масса серебра 108у. По условию задачи масса сплава равна 3 г, следовательно:

64х + 108у = 3

По уравнению (1) количество вещества меди вступившего в реакцию равно количеству вещества нитрата меди (II) образовавшемуся в результате взаимодействия, тогда масса нитрата меди (II) равна 188х. По уравнению (2) количество вещества серебра вступившего в реакцию равно количеству вещества нитрата серебра образовавшемуся в результате взаимодействия, следовательно масса нитрата серебра равна 170у. По условию задачи масса смеси нитратов равна 7,34 г, поэтому:

188х + 170у = 7,34.

Получили систему уравнений с двумя неизвестными:

	4х + 108у = 3
	188х + 170у = 7,34

Решив систему уравнений методом подстановки, найдем значение у,равное 0,01 моль, масса серебра составляет:

m (Ag) = n (Ag) · M (Ag) = 0,01 · 108 = 1,08 (г).

Тогда масса меди равна:

m (Cu) = m (сплава) – m (Ag) = 3 – 1,08 = 1,92 (г).

Рассчитаем массовые доли металлов в смеси:

(%);

(%).

Ответ: ω(Cu) = 64%, ω(Al) = 36%.

Вопросы для самоконтроля

1. В порядке увеличения восстановительной способности металлы расположены в ряду:

1) K, Al, Cr, Sn

2) Sn, Cr, Al, Zn

 3) Sn, Ca, Al, K

4) Au, Al, Ca, Li

2. Щелочные металлы

1)являются сильными восстановителями

2) проявляют как окислительные, так и восстановительные свойства

3) легко образуют отрицательно заряженные ионы

4) легко присоединяют электроны в химических реакциях

3. В ряду элементов:   натрий -->магний -->алюминий

возрастает их

1) атомный радиус

2) восстановительная способность

3) химическая активность

4) электроотрицательность

4. У магния металлические свойства выражены

1) слабее, чем у бериллия

2) сильнее, чем у алюминия

3) сильнее, чем у кальция

4) сильнее, чем у натрия

5. В порядке уменьшения восстановительных свойств металлы расположены в ряду:

1) Al, Zn, Fe

2) Al, Na, K

3) Fе, Zn, Mg

4) Fe, Zn, Al

6. Наибольший радиус имеет атом

1) лития          2) натрия       3) кальция     4) калия