Самое важное в главе 8

Определения и обозначения

Вода — сложное вещество, молекула которого состоит из атомов двух химических элементов: водорода и кислорода. Её формула — H₂O: индекс 2 показывает число атомов водорода, а отсутствие индекса у O означает один атом кислорода. Состав формулы помогает понять, какие атомы и в каком соотношении образуют вещество.

Раствор — однородная система, состоящая из растворителя и растворённого вещества. Растворителем называют компонент, в котором распределяются частицы другого вещества; растворённое вещество — компонент, частицы которого распределены в растворителе. Это разделение нужно, чтобы описывать состав раствора и правильно учитывать массы его частей.

Растворимость — способность вещества растворяться в определённом растворителе при заданных условиях. Она зависит от природы веществ и температуры, поэтому для сравнения растворимости всегда указывают условия. Это понятие позволяет определить, сколько вещества может перейти в раствор, прежде чем он станет насыщенным.

Массовая доля растворённого вещества — отношение его массы к массе всего раствора. Её обозначают буквой w и рассчитывают по формуле w = m(вещества) / m(раствора); это величина без единиц измерения. Чтобы выразить её в процентах, долю умножают на 100%, а сама величина помогает описать состав конкретного раствора.

Как это устроено

Формула воды объясняется валентностями — способностью атомов образовывать определённое число химических связей. Водород одновалентен и образует одну связь, а кислород двухвалентен и образует две. Поэтому один атом кислорода соединяется с двумя атомами водорода, и получается формула H₂O. Индексы в формуле показывают соотношение атомов в молекуле, а не их массу.

Раствор образуется, когда частицы одного вещества оказываются распределены среди частиц другого. Частицы растворителя окружают частицы растворяемого вещества и помогают им разойтись по всему объёму. Из-за равномерного распределения раствор выглядит однородным: отдельные части компонентов обычно не различимы. Однако однородный вид не означает, что в растворе присутствует только одно вещество.

Насыщенность показывает, достигнут ли предел растворения вещества при данной температуре. В насыщенном растворе уже содержится максимально возможное в этих условиях количество растворённого компонента, поэтому добавка вещества не растворяется полностью. В ненасыщенном растворе до такого предела ещё есть место: дополнительное количество вещества может раствориться. Сравнивать эти состояния можно только при одной и той же температуре.

Растворимость связана с тем, насколько легко частицы вещества взаимодействуют с частицами растворителя. При изменении температуры движение частиц и их взаимодействия меняются, поэтому предельное количество вещества в растворе тоже может измениться. Для многих твёрдых веществ нагревание увеличивает растворимость, но это не универсальное правило для всех веществ. Следовательно, растворимость характеризует не только вещество, но и условия, в которых его растворяют.

Массовую долю находят, сравнивая массу растворённого вещества с массой всего раствора. Сначала складывают массы компонентов: m(раствора) = m(растворителя) + m(вещества), затем массу вещества делят на полученную массу раствора. Чтобы получить процент, результат умножают на 100%; например, доля 0,12 соответствует 12%. Если известны массовая доля и масса раствора, массу вещества находят умножением: m(вещества) = w · m(раствора).

Основные характеристики растворов

Сначала определите, какую характеристику спрашивают: предельную способность растворяться или состав уже приготовленного раствора. Для расчётов массовой доли найдите массу всего раствора и используйте массу именно растворённого вещества в числителе. Растворимость и массовая доля отвечают на разные вопросы, даже если обе величины относятся к растворам.

Разбор задач

Задача 1. В молекуле воды два атома водорода и один атом кислорода. Запишите формулу воды и определите, сколько атомов каждого элемента содержится в пяти молекулах. Нужно сначала прочитать индексы формулы, а затем учесть, что таких молекул пять.

1. Записываем формулу по соотношению атомов: H₂O.
2. В одной молекуле два атома H и один атом O, поэтому умножаем каждое число на 5.
3. Получаем 2 · 5 = 10 атомов водорода и 1 · 5 = 5 атомов кислорода.

Ответ: формула воды — H₂O; в пяти молекулах содержатся 10 атомов водорода и 5 атомов кислорода. Число атомов кислорода не умножают на индекс, которого нет: отсутствие индекса означает единицу.

Задача 2. В 180 г воды растворили 20 г соли. Найдите массу раствора и массовую долю соли в процентах. Масса раствора включает и воду, и соль, поэтому сначала складываем обе массы.

1. Находим массу раствора: 180 г + 20 г = 200 г.
2. Делим массу соли на массу раствора: w = 20 / 200 = 0,1.
3. Переводим долю в проценты: 0,1 · 100% = 10%.

Ответ: масса раствора равна 200 г, массовая доля соли — 10%. Проверка: соль составляет десятую часть от общей массы, что соответствует 10%.

Задача 3. К 150 г раствора с массовой долей соли 12% добавили 30 г соли. Найдите массовую долю соли в полученном растворе. Сначала выясним, сколько соли уже было в исходном растворе, а затем учтём, что добавка увеличивает и массу соли, и общую массу смеси.

1. Переводим 12% в долю: 12% = 0,12.
2. Находим исходную массу соли: 150 г · 0,12 = 18 г.
3. После добавления соли её масса равна 18 г + 30 г = 48 г. Масса нового раствора равна 150 г + 30 г = 180 г.
4. Находим массовую долю: w = 48 / 180 = 0,2666…; в процентах это примерно 26,7%.

Ответ: массовая доля соли в полученном растворе примерно равна 26,7%. Округление сделано до десятых долей процента, потому что результат деления получается периодическим.

Типичные ошибки

Иногда массу раствора принимают равной массе растворённого вещества. Так ошибаются, когда забывают, что в раствор входит и растворитель. Проверьте себя: масса раствора должна учитывать оба компонента, то есть m(раствора) = m(растворителя) + m(вещества); она не может быть меньше массы каждого компонента.

При вычислении массовой доли в числитель иногда ставят массу растворителя. Это происходит из-за путаницы между компонентами раствора, но массовая доля вещества показывает именно долю массы этого вещества. Для проверки прочитайте формулу словами: масса растворённого вещества делится на массу раствора. Если ищут долю соли, в числителе должна стоять масса соли.

Растворимость иногда принимают за массовую долю. Причина в том, что обе характеристики связаны с количеством вещества, однако растворимость задаёт предел растворения при определённых условиях, а массовая доля описывает состав конкретной порции раствора. Проверьте, о чём спрашивает задача: «сколько максимально растворится» — это растворимость, «какая часть раствора приходится на вещество» — массовая доля.

Ещё одна ошибка — считать, что любое вещество растворяется в воде без ограничений. Растворимость зависит от вещества и температуры, поэтому раствор может достичь насыщения. Если при данной температуре новая порция больше не растворяется, раствор уже содержит предельное количество вещества. Чтобы избежать ошибки, учитывайте условия и не называйте раствор ненасыщенным, если предел растворения достигнут.

Связь с другими темами

Для понимания формулы воды нужно уметь читать химические формулы и определять по индексам число атомов каждого элемента. При решении задач на растворы пригодятся вычисление отношений величин, действия с массами и перевод десятичной доли в проценты. Например, 0,12 — это 12%, а 12% в расчёте заменяют на 0,12. Понятия раствора и массовой доли понадобятся при изучении кислот, оснований и солей, а также при рассмотрении реакций, которые проводят в растворах.

Что запомнить

• Формула воды — H₂O.
• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при заданной температуре количество растворённого вещества.
• Растворимость зависит от природы вещества и температуры.
• Масса раствора равна сумме масс растворителя и растворённого вещества.
• Массовая доля растворённого вещества равна отношению его массы к массе раствора.
• Массовую долю в процентах получают, умножая долю на 100%.