2020-09-24
148
Важным свойством воды является ее способность растворять многие вещества, как неорганические (минеральные кислоты, щелочи, соли), так и органические (органические кислоты, спирты, фенолы, альдегиды и многие другие). Аквариумная вода представляет собой не что иное, как раствор большого числа веществ, как органического, так и неорганического происхождения. Аквариумистам следует уметь выражать количественный состав растворов, т. е. рассчитывать их концентрацию.
Один из наиболее распространенных способов выражения состава раствора — массовая доля растворенного вещества, которую принято обозначать буквой w. Массовая доля представляет собой отношение массы растворенного вещества m(р. в.) к массе раствора т. Обычно массовую долю выражают в процентах* и рассчитывают по формуле:
| w = | m(р.в.) • 100 | % | (1) |
| m |
* Устаревшее название массовой доли растворенного вещества, выраженной в процентах, — процентная концентрация, В настоящее время это понятие, также как и термины «процентный состав», «процентное содержание» в химической литературе не используются.
Что же показывает массовая доля? Например, известно, что массовая доля хлорида натрия NaCl в растворе составляет 3%. Это означает, что в 100 г раствора содержится 3 г NaCl и 97 г воды. Соответственно в 1 кг раствора содержится 30 г NaCl и 970 г воды.
В аквариумной практике часто приходится приготовлять растворы с определенной массовой долей (растворы лечебных препаратов, удобрений и др.). Приведем примеры расчетов.
Пример. Для лечения рыб нужно приготовить 500 г 1%-ного раствора перманганата калия KMnO4. Сколько следует взять соли и воды?
Решение. Вначале узнаем плотность требуемого раствора, Плотности некоторых растворов с заданной концентрацией можно определить по справочной литературе (см., например: Лидии Р. А., Андреева Л. Л., Молочко В. А. Справочник по неорганической химии. М.: Химия, 1987. С. 253—274).
Если плотность неизвестна, а раствор достаточно разбавленный (как в данном примере), можно считать, что плотность раствора ρ приблизительно равна плотности воды, т. е. ρ = 1 г/мл. Тогда масса раствора будет равна произведению его объема V = 0,5 л = 500 мл на плотность:
| m = V• ρ; | (2) |
| m = 500 мл • 1 г/мл = 500 г., |
Используя формулу (1), рассчитаем массу перманганата калия, который потребуется для приготовления раствора:
| M(KMnO4) = | w • m | ; | m(KMnO4) = | 1 • 500 | = 5 г. |
| 100 | 100 |
Итак, для приготовления раствора надо взять 5 г перманганата калия.
Массу воды мы найдем, вычитая массу соли из массы всего раствора:
m(H2O) = m — m(KMnO4);
m(H2O) = 500 г — 5 г = 495 г.
Учитывая, что плотность воды равна 1 г/мл, мы определяем: для приготовления заданного объема раствора надо взять 495 мл воды.
Более, сложный расчет надо провести в том случае, когда имеется более концентрированный раствор, из которого надо приготовить разбавленный раствор.
Пример. Имеется 30% — ный раствор соляной кислоты HCl. Требуется приготовить 100 мл 5%— ного раствора HCl. Определить, сколько для этого потребуется 30% —ной соляной кислоты и воды.
Решение. По справочным таблицам определяем, что плотность 5%-ного раствора HCl равна 1,02 г/мл, а 30% —ного — 1,15 г/мл. Вначале вычисляем массу раствора, который надо приготовить, — m2 (объем этого раствора V2, плотность ρ2, массовая доля HCl;— w2).
m2 = V2 • ρ2; m2 = 100 мл • 1,02 г/мл = 102 г.
Используя формулу (1), определяем массу соляной кислоты в 5% —ом растворе:
| m(HCl) = | w2 • m2 | ; | m(HCl) = | 5 • 102 | = 5,1 г. |
| 100 | 100 |
Теперь вычисляем массу исходного раствора m1, в котором содержится 5,1 г HCl (его объем -V1, плотность — ρ1; массовая доля HCl в этом растворе — w1,):
| m1 = | m(HCl) • 100 | ; | m1 = | 5,1 • 100 | = 17 г. |
| w1 | 30 |
Зная плотность этого раствора, определяем его объем;
| V1 = | m1 | ; | V1 = | 17 г | = 14,8 мл. |
| ρ1 | 1,15 г/мл |
Массу воды, которая потребуется для разбавления 30% —ного раствора, определяем так:
m(H2O) = m2 — m1;
m(H2O) = 102 г — 17 г = 85 г.
Таким образом, для приготовления 100 мл 5%— ного раствора HCl надо взять 14,8 мл 30% —ного раствора HCl и прилить 85 мл воды.
На этом примере также видно, что при смешении растворов сумма объемов двух компонентов не равна объему приготовленного раствора. Этот факт установил и теоретически обосновал Д. И, Менделеев.
Другим распространенным в аквариумной литературе способом выражения состава раствора является массовая концентрация, которая показывает сколько граммов или миллиграммов растворенного вещества содержится в 1 л раствора. Обозначение массовой концентрации, которое мы будем использовать в книге — x. Для расчета можно использовать формулу:
| x = | m(р.в.) |
| (3) |
| V |
где m(р. в) — масса растворенного вещества в г или мг.
Пример. Требуется приготовить 5л раствора лечебного препарата малахитового зеленого с концентрацией последнего 2 мг/л. Определите массу препарата, которую надо взять для приготовления раствора.
Решение. Используя формулу (3), получаем:
m(малах. зел) = x • V;
m(малах. зел) = 2 мг/л • 5 л = 10 мг.
Таким образом, чтобы приготовить требуемый раствор, надо взять посуду вместимостью 5 л (мерную колбу, мензурку, банку или аквариум с соответствующей отметкой), внести отвешенный малахитовый зеленый (10 мг), растворить его в небольшом количестве воды и довести объем раствора до 5 л.
В литературе по аквариумистике (особенно в изданной в США и Англии) часто используется единица концентрации, обозначенная буквами ррт (part per million — число частей из миллиона). Этот способ выражения состава раствора аналогичен массовой концентрации в мг/л. Например, 5 ррт = 5 мг/л.
Наконец, в некоторых расчетах, связанных с проведением химического анализа аквариумной воды, используется молярная концентрация c, которая показывает отношение количества растворенного вещества (в молях) n(р. в.)к общему объему раствора V:
| c = | n(р.в.) |
| (4) |
| V |
Молярная концентрация измеряется в моль/л. Для обозначения этой единицы часто используется символ М, Например, 1М — одномолярный раствор. Это означает, что c = 1 моль/л.
Количество растворенного вещества в молях определяется как отношение его массы m(р, в.) к молярной массе M(р. в.):
| n(р.в.) = | m(р.в.) |
| (5) |
| M(р.в.) |
Как пользоваться формулами (4) и (5), мы покажем на конкретном примере.
Пример. Рассчитайте массу щелочи NaOH (гидроксида натрия), которую нужно взять для приготовления 0,3 л раствора 0,5М NaOH.
Решение. Вначале надо рассчитать молярную массу NaOH. Для этого, пользуясь периодической системой элементов Д. И. Менделеева, находим атомные массы (Ar) натрия, кислорода и водорода и определяем молекулярную массу NaOH — Mr(NaOH):
Mr(NaOH) = Ar(М) + Ar(O) + Ar(H); Mr(NaOH) = 23 + 16 + 1 = 40.
Молярная масса численно равна молекулярной, но выражается в г/моль, т. е. M(NaOH) = 40 г/моль.
Используя формулу (4), определяем количество вещества NaOH, который необходим для приготовления раствора:
n(NaOH) = c • V; n(NaOH) = 0,5 моль/л • 0,3 л = 0,15 моль.
Теперь, зная молярную массу NaOH, находим массу требуемой щелочи по формуле (5):
n(NaOH) = n(NaOH) • M(NaOH);
n(NaOH) = 0,15 моль • 40 г/моль = 6г.
Следовательно, для приготовления раствора надо взять 6 г щелочи.
Мы привели лишь некоторые способы выражения состава растворов, а также несколько наиболее типичных и простых примеров расчетов. Если у аквариумистов возникнет необходимость более подробно ознакомиться с данным вопросом и рассмотреть более сложные расчеты, то следует использовать специальную литературу (например, Хомченко И. Г. Общая химия. М.: Новая Волна, 1997, с. 70—75; Хомченко И. Г. Сборник задач и упражнений по химии. М.: Высшая школа, 1989, с. 44—56),
Для характеристики воды как растворителя надо отметить такое свойство, как растворимость — способность веществ растворяться в воде. Есть вещества, которые могут растворяться в воде практически неограниченно, образуя смеси любого состава (например, этиловый спирт, серная кислота). Другие вещества, встречающиеся в аквариумной практике, обладают ограниченной растворимостью в воде. Растворимость количественно выражают через максимальную массу вещества (или объем газа), которая может содержаться в 100 г воды при данной температуре. Например, при 20°C в 100 г воды может раствориться 35,9 г хлорида натрия NaCl.
Растворимость твердых веществ, как правило, увеличивается с ростом температуры. Так, при 80°C в 100 г воды можно растворить уже 38,3 г хлорида натрия. Для некоторых веществ возрастание растворимости при увеличении температуры воды еще более резкое, При приготовлении растворов твердых веществ часто используют это явление: воду нагревают, растворение происходит быстрее.
Важную роль в гидрохимических процессах аквариума играют растворенные газы. В табл. 1 показана растворимость некоторых распространенных газов в воде. В отличие от твердых веществ, растворимость газов падает при увеличении температуры. В табл. 2 показано, например, как зависит растворимость кислорода в воде от температурных условий.
Аквариумисты часто сталкиваются с таким явлением: при увеличении температуры воды рыбам становится труднее дышать, они поднимаются к поверхности и заглатывают воздух. Это как раз и связано с уменьшением растворимости кислорода.
Таблица 1. Растворимость газов в 100 г воды при нормальном атмосферном давлении и температуре 20°C
| Газ | Химическая формула газа | Растворимость газа, мл |
| Азот | n2 | 1,5 |
| Водород | H2 | 1,8 |
| Кислород | O2 | 3,1 |
| Метан | СН4 | 3,3 |
| Углекислый газ | CO2 | 87,8 |
| Хлор | Cl2 | 236 |
