"Химия. Базовый и углублённый уровни", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Раствор — однородная система из растворителя и распределённого в нём растворённого вещества. Растворы важны в химических реакциях, лабораторных опытах и повседневной жизни: многие вещества взаимодействуют именно в растворе. Чтобы описывать его состав, используют массовую долю и молярную концентрацию, а способность вещества растворяться характеризуют растворимостью. Понимание этих величин помогает готовить растворы нужного состава и рассчитывать реакции.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Раствор — однородная система, состоящая из растворителя и одного или нескольких растворённых веществ. Однородность означает, что компоненты распределены равномерно и состав в разных частях раствора одинаков. Это понятие помогает отличать раствор от неоднородной смеси, где части компонентов могут быть видны отдельно.
Растворитель — компонент раствора, который определяет агрегатное состояние системы и обычно содержится в большем количестве. Например, если соль растворена в воде, агрегатное состояние раствора задаёт вода. Понимание роли растворителя нужно, чтобы правильно описывать состав раствора и процесс его приготовления.
Растворённое вещество — компонент раствора, частицы которого равномерно распределены среди частиц растворителя. После растворения его частицы могут быть неразличимы невооружённым глазом, но вещество остаётся частью системы. Этот термин нужен, чтобы отделять количество добавленного компонента от количества всего раствора.
Массовая доля растворённого вещества и молярная концентрация — способы количественно характеризовать состав раствора. Массовая доля сравнивает массу вещества с массой раствора: w = m(вещества)/m(раствора). Молярная концентрация показывает количество вещества в единице объёма раствора: c = n/V; эти величины нужны для расчётов и приготовления растворов заданного состава.
При растворении частицы растворителя взаимодействуют с частицами растворённого вещества. Если эти взаимодействия помогают отделять частицы вещества друг от друга и удерживать их в окружении растворителя, они распространяются по всему объёму системы. Поэтому образуется однородный раствор, а не просто слой вещества на дне. Растворение зависит от природы обоих компонентов, а также от условий, например температуры.
Растворение может сопровождаться поглощением или выделением теплоты, потому что при нём одни взаимодействия между частицами ослабевают, а другие возникают. На разрыв прежних взаимодействий требуется энергия, а образование новых может её выделять; итог зависит от соотношения этих эффектов. Объём тоже не обязан быть суммой исходных объёмов: частицы разных веществ могут уплотняться или располагаться так, что расстояния между ними меняются. Поэтому масса сохраняется при отсутствии потерь вещества, но объём смеси может измениться.
Растворимость характеризует максимальное количество вещества, способное раствориться при заданных условиях, обычно указывают температуру. Ненасыщенный раствор содержит меньше этого количества и может растворить ещё вещество. Насыщенный находится на пределе растворимости, а пересыщенный содержит больше вещества, чем обычно может оставаться растворённым при этих условиях, поэтому он неустойчив. Растворимость зависит от природы веществ и температуры; для газов существенное значение имеет также давление.
Для расчётов нужно различать массу раствора и массу растворённого вещества: масса раствора равна их сумме, если других компонентов нет. Массовая доля равна отношению массы вещества к массе раствора, а молярная концентрация — отношению количества вещества в молях к объёму всего раствора в литрах. Чтобы перейти от массы к количеству вещества, используют молярную массу: n = m/M. Массовая концентрация, в отличие от массовой доли, показывает массу растворённого вещества в единице объёма раствора, например в г/л; растворимость же описывает предельное содержание вещества при заданных условиях.
Электролиты в воде образуют подвижные ионы — заряженные частицы. При приложении напряжения положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные — к положительному, перенося электрический заряд. Неэлектролиты не образуют в растворе заметного количества свободных ионов, поэтому их растворы практически не проводят ток. Именно наличие подвижных ионов, а не просто присутствие растворённого вещества, объясняет электропроводность.
| Характеристика | Массовая доля | Молярная концентрация | Массовая концентрация | Растворимость |
|---|---|---|---|---|
| Что показывает | Долю массы раствора, приходящуюся на растворённое вещество | Количество вещества в единице объёма раствора | Массу вещества в единице объёма раствора | Предельное количество вещества, растворяющееся при заданных условиях |
| Формула расчёта | w = m(вещества)/m(раствора) | c = n/V | β = m(вещества)/V | По данным о предельном растворении при заданных условиях |
| Единица измерения | Безразмерная величина; часто % | моль/л | г/л, кг/м³ и другие | Часто г вещества на 100 г растворителя |
| Какие величины нужны для расчёта | Масса вещества и масса раствора | Количество вещества и объём раствора | Масса вещества и объём раствора | Количество растворившегося вещества, количество растворителя и условия |
| Практический смысл | Позволяет сравнить состав растворов по массе | Помогает рассчитать количество частиц вещества в заданном объёме | Показывает массу компонента на объём раствора | Помогает определить, сколько вещества можно растворить |
Сначала определите, какую именно характеристику спрашивают: для массовой доли нужны массы, а для молярной концентрации — количество вещества и объём раствора. Проверьте единицы до подстановки в формулу: объём для c обычно переводят в литры, а массу в n = m/M выражают в единицах, согласованных с молярной массой. Растворимость не заменяет концентрацию: она указывает предел растворения при оговорённых условиях.
В 180 г воды растворили 20 г хлорида натрия. Определите массовую долю соли в растворе. Нужно сначала найти массу всей системы, а затем сравнить с ней массу соли. В числитель входит именно растворённое вещество, не вода.
Ответ: массовая доля хлорида натрия равна 10%. Проверка здравого смысла: масса соли меньше массы раствора, поэтому доля меньше единицы; 10% соответствует отношению 20 г к 200 г.
Сколько воды нужно добавить к 200 г 15%-ного раствора вещества, чтобы получить 5%-ный раствор? При разбавлении добавляется только вода, поэтому масса растворённого вещества остаётся прежней. Сначала найдём эту массу, затем определим, какой должна стать общая масса раствора, чтобы доля стала 5%.
Ответ: нужно добавить 400 г воды. Проверка: 30 г вещества в 600 г раствора составляют 5%, как и требуется.
Определите молярную концентрацию раствора серной кислоты с массовой долей 20% и плотностью 1,14 г/мл. Удобно выбрать 1 л раствора: тогда искомая концентрация численно равна количеству вещества в этом объёме. Плотность позволяет найти массу выбранного объёма, а массовая доля — массу кислоты.
Ответ: молярная концентрация раствора составляет примерно 2,33 моль/л. Плотность здесь нужна, чтобы связать объём раствора с его массой; объёмом растворителя вместо объёма всего раствора пользоваться нельзя.
В числитель массовой доли иногда ставят массу растворителя, хотя w = m(растворённого вещества)/m(раствора). Так происходит из-за смешения понятий компонентов раствора. Проверьте себя: в числителе должна стоять масса того вещества, долю которого ищут, а результат для одного компонента не может превышать 1, или 100%.
При разбавлении ошибочно считают, что меняется масса растворённого вещества. Воду добавляют к уже готовому раствору, поэтому масса вещества остаётся прежней, а общая масса увеличивается. Для самопроверки сравните запись до и после разбавления: неизменной должна быть масса растворённого компонента, а не масса раствора.
Молярную концентрацию иногда путают с массовой долей, потому что обе характеризуют состав. Но массовая доля связывает две массы, а молярная концентрация — количество вещества и объём раствора. Перед расчётом запишите единицы: если в ответе нужны моль/л, используйте n в молях и V в литрах.
Для молярной концентрации могут подставить объём растворителя вместо объёма всего раствора. Концентрация по определению относится к объёму готовой системы, ведь растворённое вещество влияет на итоговый объём. Проверьте, что в знаменателе стоит V(раствора), а не V(растворителя), и переводите его в литры.
Для расчётов состава раствора нужны количество вещества, молярная масса, плотность и умение находить массовую долю. Также важно переводить единицы объёма, например миллилитры в литры. Эти навыки позволяют переходить от массы вещества к молям и от объёма раствора к его массе.
Знание растворов используют при расчётах по уравнениям реакций, приготовлении растворов заданной концентрации и титровании — методе определения концентрации по реакции с раствором известного состава. Электролиты и их диссоциация, то есть распад на ионы, нужны для понимания реакций обмена и кислотно-основных свойств. На этой основе изучают и pH растворов, показатель их кислотности или щёлочности.
Чем раствор отличается от механической смеси?
В растворе частицы компонентов равномерно распределены, поэтому его состав одинаков в любой части системы. В механической смеси компоненты могут оставаться заметными или распределяться неравномерно, и их часто можно разделить физическими способами.
Почему при растворении масса раствора сохраняется, а объём может измениться?
Если вещество не теряется, масса раствора равна сумме масс исходных компонентов и сохраняется. Объём может измениться, потому что частицы растворителя и растворённого вещества взаимодействуют и располагаются друг относительно друга иначе, чем до смешивания.
Как понять, является ли раствор насыщенным?
При заданной температуре насыщенный раствор содержит максимально возможное количество растворённого вещества. Если дополнительная порция вещества уже не растворяется и остаётся на дне, раствор насыщен; если вещество ещё растворяется, раствор ненасыщенный.
Чем массовая доля отличается от молярной концентрации?
Массовая доля — отношение массы растворённого вещества к массе всего раствора, часто её выражают в процентах. Молярная концентрация показывает количество вещества в одном литре раствора и выражается, например, в моль/л.
Почему раствор электролита проводит электрический ток?
В водном растворе электролит распадается на положительные и отрицательные ионы. Под действием электрического поля ионы направленно движутся и переносят заряд, поэтому раствор проводит ток.
Тема 10. Растворы
