Задания для самостоятельной внеаудиторной работы студетов по указанной теме

КОМИ ФИЛИАЛ

Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «КИРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ»

Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации

Кафедра химии, физики, биологии

Методические указания для студентов 1 курса

Специальности (направления подготовки) 060101 – Лечебное дело

по самостоятельной внеаудиторной работе

по дисциплине Химия

ТЕМА: Растворы. Способы выражения концентрации. Приготовление раствора заданной концентрации.

ЦЕЛЬ: Научиться навыкам проводить расчеты, необходимые для приготовления растворов различных концентраций и умению готовить такие растворы.

ЗАДАЧИ:

1. Ознакомиться со способами выражения концентрации растворов.

2. Разобрать обучающие задачи по расчету концентрации растворов.

3. Подготовиться к лабораторной работе «Приготовление раствора NaCl заданной концентрации путем разбавления концентрированного раствора».

СТУДЕНТ ДОЛЖЕН ЗНАТЬ:

1. до изучения темы: Понятия массовой доли, количества вещества, концентрации раствора и их взаимную связь.

2. после изучения темы: Понятия: раствор, растворитель, растворенное вещество; особенности структуры воды в жидком и твердом состояниях; растворимость твердых веществ, газов в воде; факторы, влияющие на растворимость; способы выражения концентрации растворов: по растворению точной навески (объема) сухого вещества, кристаллогидрата, газа; из концентрированного раствора путем его разбавления; из разбавленного раствора путем его концентрирования; из фиксанала.

СТУДЕНТ ДОЛЖЕН УМЕТЬ:

Проводить необходимые расчеты для приготовления раствора с заданной концентрацией раствора. Пользоваться аналитическими весами, мерной посудой (пипетки, бюретки, мерные пробирки, цилиндры, мензурки) и химическими приборами (ареометр).

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ВНЕАУДИТОРНОЙ РАБОТЫ СТУДЕТОВ ПО УКАЗАННОЙ ТЕМЕ

1) Разобрать обучающие задачи по способам приготовления растворов:

Расчеты при приготовлении, разбавлении и смешивании растворов одного и того же вещества объединяет одна общая идея – во всех случаях записывают уравнения материального баланса, связывающие характеристики конечного раствора и его исходных составляющих. В результате получают систему из двух алгебраических уравнений, решая которую, определяют искомые величины, которые необходимо взять для приготовления раствора с заданными характеристиками.

В расчетах с использованием массовой доли w(А) основу составляют два закона сохранения масс - относительно массы раствора (смеси) и относительно массы растворенного вещества, составленные на основе характеристик составных частей I и II и самого раствора (смеси):

а) - баланс по массе раствора (смеси): m(I)_р-ра + m(II)_р-ра = m(р-ра) (или m(смеси))

б) - баланс по массе растворенного вещества А: m(А/I) + m(А/II) = m(А/р-р) (или m(А/смеси))

Далее величины, представленные в этих уравнениях, выражают согласно условию задачи через объемы, плотности и массовые доли растворенного вещества соответствующих растворов I и II.

Следует отметить, что закон сохранения объема при смешивании растворов в общем виде не выполняется, то есть объем смеси не всегда равен сумме объемов исходных растворов (см. пример 2).

В расчетах с использованием молярной концентрации с(А) основу составляют закон сохранения количества вещества и приближенно выполняющийся закон сохранения объема раствора (смеси) в случае разбавления и смешения растворов. Последний выполняется тем точнее, чем более разбавлены смешиваемые растворы:

1) - баланс по объему смеси при разбавлении и смешивании:

Vр-ра(I) + Vр-ра(II) = Vсмеси

2) - баланс по количеству растворенного вещества:

n(А/I) + n(А/II) = n(А/смеси)

или с(А/I)Vр-ра(I) + с(А/II)Vр-ра(II) = с(А/смесь)V(смесь)

Пример 1. Какие количества составных частей I и II необходимо взять для приготовления 220 мл раствора хлорида кальция с w(CaCl₂)= 8 %, плотность раствора r= 1,066 г/мл. Рассмотреть следующие способы приготовления раствора:

а) m(CaCl₂)_(тв) и V(H₂O) – растворение CaCl_2(тв) в воде;

б) m(CaCl₂·6H₂O) и V(H₂O) – растворение кристаллогидрата CaCl₂·6H₂O в воде;

в) m (CaCl₂)_(тв) + V_р-ра с w(СaCl₂) =2 % и r =1,015 г/мл – концентрирование раствора

г) V_р-ра с w(СaCl₂) =25 % и r =1,228 г/мл и V(Н₂О) – разбавление концентрированного раствора;

д) V_р-ра с w(СaCl₂) =25 % и r =1,228 г/мл и V_р-ра с w (СaCl₂)= 2 % и r =1,015 г/мл – смешивание двух растворов;

е) V_р-ра с w(СaCl₂)= 2 % и r =1,015 г/мл концентрирование раствора путем упаривания растворителя.

Решение:

а) Составим два балансовых уравнения

1) по массе раствора: m(CaCl₂) + m(Н₂О) = m(р-ра) = V·r

2) по массе растворенного вещества: m(CaCl₂) = V·r·w(СaCl₂)

Подставляем данные из условия задачи и получаем систему двух уравнений:

m(CaCl₂) + m(Н₂О) = 220 мл ·1,066 г/мл =234,52 г

m(CaCl₂) = 220 мл ·1,066 г/мл ·0,08=18,76 г

Отсюда m(H₂O)= 234,52 г – 18,76 г = 215,76 г

Ответ: для приготовления раствора необходимо 18,76 г CaCl_2(тв) и 215,76 мл Н₂О

(при условии, что r =1 г/мл).

б) Рассуждая подобным образом:

1) Уравнение материального баланса по массе раствора:

m(CaCl₂·6Н₂О) + m(Н₂О) = m(р-ра) = V·r

2) Уравнение материального баланса по массе вещества CaCl₂ в растворе:

m(CaCl₂/ CaCl₂· 6H₂O) = V·r·w(СaCl₂),

где m(CaCl₂/ CaCl₂· 6H₂O) = из соображения, что n(CaCl₂) = n(CaCl₂·6H₂O)

Система уравнений принимает вид: m(CaCl₂· 6H₂O) + m(Н₂О) = m(р-ра) = V·r

= V·r·w(СaCl₂),

подставляем данные из условия задачи:

m(CaCl₂· 6H₂O) + m(Н₂О) = 220 мл ·1,066 г/мл =234,52 г

= 220 мл ·1,066 г/мл ·0,08 = 18,76 г

Отсюда m(CaCl₂· 6H₂O) =

и m(H₂O) = 234,52 – 37,01 = 197,51 г

Ответ: для приготовления раствора необходимо 37,01 г CaCl₂· 6H₂O и 197,51 мл H₂O.

в) Составим два балансовых уравнения:

1) - по массе раствора: m(CaCl₂) + m₁ = m_р-ра или m(CaCl₂) + V₁r₁ = Vr

2) - по массе растворенного вещества: m(CaCl₂) + m(CaCl₂/исх.р-р) = m(CaCl₂/конечн.р-р)

или m(CaCl₂) + V₁· r₁· w₁ = V·r·w

Подставляем данные из условия задачи:

m(CaCl₂) + V₁ ·1,015 г/мл = 220 мл ·1,066 г/мл = 234,52 г

m(CaCl₂) + V₁· 1,015 г/мл ·0,02 = 220 мл ·1,066 г/мл ·0,08 =18,76 г

Решая систему двух уравнений методом вычитания из первого уравнения второго, получаем:

V₁· 1,015 г/мл ·(1-0,02) = 234,52-18,76 = 215,76 г

и V₁ =

m(CaCl₂) = 234,52 г -216,91 мл ·1,015 г/мл = 14,35 г

Ответ: для приготовления раствора нужно 14,35 г CaCl₂ и 216,91 мл исходного раствора с w(CaCl₂)=2 %

г) Составим два балансовых уравнения:

1)-по массе раствора V₁·r₁ + m(H₂O) = V·r

2)-по массе растворенного вещества V₁·r₁·w₁ = V·r·w

получим систему: V₁·r₁ + m(H₂O) = V·r

V₁·r₁·w₁ = V·r·w

подставляем данные из условия задачи:

V₁ ·1,228 г/мл + m(H₂O) =220 мл ·1,066 г/мл =234,52 г V₁ ·1,228 г/мл ·0,25=220 мл ·1,066 г/мл ·0,08=18,76 г

Отсюда и

m(H₂O)= 234,52 – 61,11 мл ·1,228 г/мл =159,48 г

Ответ: для приготовления раствора необходимо 61,11 мл исходного раствора с w(CaCl₂)= 25 % и 159,48 мл H₂O.

д) Составим два балансовых уравнения:

1) - по массе раствора V₁r₁ + V₂r₂= V·r

2) - по массе растворенного вещества V₁·r₁·w₁+ V₂·r₂·w₂ = V·r·w

Подставляем данные из условия задачи:

V₁ ·1,228 г/мл +V₂ ·1,015 г/мл = 220 мл ·1,066 г/мл =234,52 г

V₁ ·1,228 г/мл ·0,25 + V₂ ·1,015 г/мл ·0,02 = 220 мл ·1,066 г/мл ·0,08=18,76 г

Решая систему двух уравнений с двумя неизвестными, находим V₁ =49,81 мл и V₂ =170,79 мл.

Ответ: для приготовления смешанного раствора необходимо 49,81 мл раствора с w(CaCl₂) =25 % и 170,79 мл раствора с w(CaCl₂) =2 %.

е) При выпаривании раствора масса растворенного вещества не изменяется, а уменьшается лишь масса летучего растворителя - воды. Составим балансовое уравнение по массе растворенного вещества и определим объем исходного раствора, который необходимо взять для выпаривания:

m(CaCl₂/до выпаривания)=m(CaCl₂/после выпаривания)

или V₁·r₁·w₁ = V·r·w, откуда

Определим массу воды, которую необходимо выпарить:

m(H₂O) = m_{(исх.р-р)}- m_{(конечн.р-р)} = V₁·r₁-V·r = 924,14 мл ·1,015 г/мл -220 мл ·1,066 г/мл = 703,48 г.

Ответ: нужно взять 924,14 мл раствора с w(CaCl₂) =2 % и 703,48 мл H₂O.

Пример 2. Какие объемы газообразного аммиака (н.у.) и его раствора с w(NH₃) = 3 % и плотностью r= 0,985 г/мл необходимо взять для приготовления 100 мл нашатырного спирта (раствора с w(NH₃) = 10 % и r =0,957 г/мл).

Решение: Запишем два уравнения материального баланса на основе двух составных частей смеси:

I	II	Смесь
NH₃(газ) m(NH₃)	Раствор аммиака w₂(NH₃) = 3 % r₂ = 0,985 г/мл V₂=?	V_(смесь)= 100 мл = V w(NH₃) = 10 % r = 0,957 г/мл

Составляем уравнения материального баланса

1) - по массе смеси:

2) - по массе аммиака , где V_m =22,4 л/моль.

Подставив данные задачи, получим систему двух уравнений:

Решая систему из двух уравнений, находим необходимые объемы 3 % раствора аммиака: V(NH₃) = 8,9 л.

Пример 3. Какой объем раствора соляной кислоты с w(HCl) = 20 % и r = 1,098 г/мл необходим для приготовления одного литра 2М раствора?

Решение: Исходный раствор HCl является более концентрированным, чем 2 М раствор и приготовление последнего связано с разбавлением первого водой. Поскольку при добавлении чистого растворителя содержание чистого вещества не меняется, то взятый для приготовления объем V_р-ра с w(HCl) = 20 % должен содержать такую же массу HCl, что и конечный разбавленный раствор:

m(HCl/исх.р-р) = m(HCl/конечн.р-р) или V·r·w=c·V·M(HCl) или

V ·1,098 г/мл ·0,20 = 2 моль/л ·1 л ·36,5 тогда V = .

Ответ: объем раствора кислоты необходимый для приготовления 1 л 2 М раствора HCl, равен 332,4 мл.

Методика приготовления 2 М раствора: в мерную колбу на 1 л вносят 332,4 мл исходного раствора с w(HCl) = 20 % и затем разбавляют дистиллированной водой до метки, до общего объема в 1 л.

Если при смешивании растворов некоторых веществ протекают химические реакции, то количества реагирующих веществ находят через заданные концентрации растворов. В этих случаях важно безукоризненно знать формулировку каждого способа выражения концентрации раствора, а также формулы связи между концентрациями, количеством растворенного вещества и его массой. Кроме того, следует обратить внимание на правильное определение качественного и количественного состава раствора после окончания химической реакции, а также правильное вычисление его массы:

1) количества (n моль) продуктов реакции определяет исходное вещество, взятое в недостатке, а исходное вещество, взятое в избытке, всегда присутствует в конечной смеси веществ;

2) масса конечной смеси равна сумме масс составляющих ее исходных растворов и чистых веществ, из которой необходимо вычесть массы всех газообразных и малорастворимых продуктов реакции, которые покидают раствор;

3) объем конечной смеси приближенно равен сумме объемов исходных растворов, а при растворении твердых и газообразных веществ объем раствора считается равным объему растворителя.

Для достаточно разбавленных растворов можно принять, что r_р-р@ r(H₂O) = 1 г/мл.

Пример 4. В 250 г раствора фосфорной кислоты с w(H₃PO₄) = 9,8 % растворили при нагревании 14,2 г оксида фосфора (V). Определить массовую долю растворенного вещества в конечном растворе.

Решение: а) При растворении P₂O₅ в растворе фосфорной кислоты образуется дополнительное ее количество в результате химической реакции:

P₂O₅ + 3H₂O(растворитель) ® 2H₃PO₄(р-р),

поэтому масса кислоты в конечном растворе равна:

m(H₃PO₄) = m(H₃PO₄/исх.р-р) + m(H₃PO₄)

Рассчитаем каждое слагаемое в отдельности: m(H₃PO₄/исх.р-р) = m_р-р·w(H₃PO₄) =250 г ·0,098 =24,5 г

m(H₃PO₄/по реакции) = n(H₃PO₄) М(H₃PO₄) = =

тогда m_общ(H₃PO₄) = 24,5 г + 19,5 г = 44,0 г

б) Масса конечного раствора кислоты равна:

m(конечн.р-р) = m(исх.р-р) + m(P₂O₅) = 250 + 14,2 = 264,2 г

и w(H₃PO₄/конечн.р-р)= или 16,69 %

Ответ: массовая доля ортофосфорной кислоты в конечном растворе составила 16,69 %.

2) Ответить на вопросы самоконтроля:

1. Влияние температуры на растворимость веществ. Растворимость газов.

2. Состав какого раствора – насыщенного, ненасыщенного, пересыщенного устойчив по отношению к небольшому изменению условий.

3. Раствор сахара в стакане оставили на некоторое время. Вскоре на дне стакана образовался осадок кристаллов. Что вы можете сказать о растворе над осадком.

4. При случайном встряхивании сосуда с раствором из него выпало большое количество кристаллов. Охарактеризуйте этот раствор.

5. Способы выражения количественного состава растворов.

3) Выучить основные расчетные формулы, используемые при решении задач:

= = + = =