Практическая работа 3. Растворимость веществ

Определения и обозначения

Растворимость — максимальная масса вещества, которая растворяется в 100 г растворителя при данной температуре с образованием насыщенного раствора. Её обычно выражают в граммах вещества на 100 г воды. Такое определение даёт общую меру: можно сопоставить результаты, даже если в опытах брали разные массы воды. Всегда указывают, о каком веществе и при какой температуре идёт речь.

Насыщенный раствор — раствор, в котором при данной температуре растворено максимально возможное количество вещества. Если добавить ещё растворяемого вещества, избыток при соблюдении тех же условий не растворится. Понятие помогает определить, что в опыте достигнута граница растворения. При изменении температуры эта граница может стать другой.

Ненасыщенный раствор — раствор, в который при данной температуре можно растворить ещё некоторое количество вещества. Добавленное вещество продолжит растворяться, пока раствор не станет насыщенным. Это определение помогает понять, почему одно и то же количество вещества растворяется не всегда одинаково. Результат зависит, в частности, от того, насколько раствор уже заполнен растворённым веществом.

Пересыщенный раствор — неустойчивый раствор, содержащий больше растворённого вещества, чем обычно может удерживаться при данной температуре. Такое состояние может возникнуть, например, если насыщенный горячий раствор осторожно охладить. Избыток вещества способен выделиться при встряхивании или появлении кристаллика-затравки. Термин нужен, чтобы отличать такое временное состояние от обычного насыщенного раствора.

Как это устроено

Растворимость определяют для конкретного вещества и при заданной температуре, потому что разные вещества растворяются по-разному. Кроме того, при нагревании или охлаждении предельное количество вещества в растворе может измениться. Поэтому запись без названия вещества и температуры не даёт полного результата. Сравнивать числа можно только при совпадении условий.

Для опыта сначала отмеряют известную массу воды, а затем добавляют к ней исследуемое вещество небольшими порциями. Смесь перемешивают, чтобы частицы вещества соприкасались с водой и растворялись быстрее. Добавление продолжают до момента, когда при постоянной температуре избыток вещества остаётся нерастворённым. Так устанавливают, что раствор достиг насыщения, а не просто временно не успел растворить очередную порцию.

После опыта нужно определить, какая масса вещества действительно растворилась. Если известно, сколько вещества добавили, массу оставшегося на дне избытка не считают растворившейся. Затем полученное количество пересчитывают на 100 г воды: например, при 20 г воды массу растворившегося вещества умножают на 100 и делят на 20. Такой пересчёт позволяет сравнить опыт с результатами, полученными с другой массой воды.

Температуру поддерживают постоянной и проверяют в ходе опыта, поскольку даже небольшое изменение условий может повлиять на растворимость. Если раствор нагрелся, в нём может раствориться больше вещества, а при охлаждении часть вещества иногда выделяется. Тогда измеренное количество не будет соответствовать одной определённой температуре. Запись температуры рядом с результатом делает вывод понятным и воспроизводимым.

Результаты нескольких опытов сопоставляют, только если они проведены в одинаковых условиях. Взвешивание, отсчёт температуры и определение момента насыщения не абсолютно точны, поэтому небольшая разница между измерениями возможна. Чтобы уменьшить влияние случайной ошибки, можно повторить опыт и проверить, близки ли полученные значения. Если условия различались, сначала нужно выяснить, могли ли именно они вызвать расхождение.

Определение растворимости веществ

В каждой строке опыта указывают измеренные данные, а растворимость вычисляют отдельно для этой массы воды. Повторный опыт с тем же веществом при другой температуре заносят в отдельную строку, иначе условия будут смешаны. В итоговой строке формулируют вывод и сравнивают только те результаты, для которых условия сопоставимы.

Разбор задач

Задача 1

В 20 г воды растворили 4 г вещества и получили насыщенный раствор. Найдите растворимость вещества. Так как раствор насыщенный, все 4 г можно считать максимальным количеством для этой массы воды при данной температуре. Требуется узнать, сколько вещества пришлось бы на 100 г воды, сохраняя те же условия.

1. Записываем пропорцию: 20 г воды соответствуют 4 г вещества, а 100 г воды — x г вещества.
2. Находим x: x = 4 · 100 / 20 = 20 г.
3. Проверяем смысл ответа: воды стало в пять раз больше, поэтому предельная масса растворённого вещества тоже увеличилась в пять раз.

Ответ: растворимость равна 20 г вещества на 100 г воды при указанной температуре. В расчёте использовали массу воды, а не массу полученного раствора. Условие о насыщении необходимо: без него нельзя утверждать, что найдено максимально возможное количество.

Задача 2

При одной температуре в 50 г воды растворили 18 г вещества до насыщения. Сколько вещества растворится в 200 г воды при тех же условиях? Здесь масса воды увеличивается, а температура остаётся прежней. Поэтому растворимость сохраняется, а количество вещества нужно найти с помощью пропорции.

1. Сначала находим растворимость: S = 18 · 100 / 50 = 36 г на 100 г воды.
2. Сравниваем массы воды: 200 г — это в два раза больше, чем 100 г.
3. Умножаем растворимость на два: 36 · 2 = 72 г.
4. Проверяем условие: температура та же, значит, рассчитанное предельное количество подходит для насыщенного раствора.

Ответ: в 200 г воды растворится 72 г вещества до насыщения. Если бы температура отличалась, нельзя было бы просто использовать прежнюю растворимость. Сначала потребовалось бы узнать значение для новой температуры.

Задача 3

При охлаждении раствора с 60 °C до 20 °C растворимость уменьшилась с 80 до 32 г на 100 г воды. Найдите, сколько вещества выделится из насыщенного раствора, если в нём было 100 г воды. До охлаждения в таком количестве воды могло быть растворено 80 г вещества. После охлаждения при тех же 100 г воды растворёнными могут оставаться только 32 г.

1. Находим разность растворимостей: 80 − 32 = 48 г на 100 г воды.
2. Сопоставляем условие и единицу измерения: масса воды в растворе как раз равна 100 г.
3. Следовательно, количество вещества, которое больше не удерживается в растворе, равно 48 г.

Ответ: выделится 48 г вещества. Это разность между количеством, растворённым при высокой температуре, и количеством, которое может оставаться растворённым после охлаждения. Если бы воды было не 100 г, разность следовало бы пересчитать пропорционально её массе.

Типичные ошибки

• Ошибка — назвать растворимостью массу вещества, растворённую в любом количестве воды. Так делают, потому что забывают о стандартной основе сравнения. Проверь себя: результат должен быть выражен в граммах вещества на 100 г растворителя, поэтому при другой массе воды нужен пересчёт.

• Ошибка — сравнить значения, полученные при разных температурах, как будто условия одинаковы. Ученик может сосредоточиться на массе и не заметить, что нагревание или охлаждение меняет растворимость. Проверь записи опыта: температура должна быть указана для каждого результата, а выводы о веществе делай с учётом этого условия.

• Ошибка — подставить в расчёт массу всего раствора вместо массы воды. Масса раствора включает и воду, и растворённое вещество, поэтому такая подстановка искажает пропорцию. Проверь себя: в знаменателе должна стоять масса растворителя, а не сумма масс компонентов.

• Ошибка — считать, что растворится всё добавленное вещество. Это происходит потому, что не учитывают момент насыщения: после него избыток остаётся на дне. Проверь наблюдения и расчёт: учитывать нужно растворившуюся массу, а оставшийся осадок не включать в неё.

Связь с другими темами

Для практической работы нужно уметь находить массу и составлять пропорцию: именно так результат опыта пересчитывают на 100 г воды. Также важно различать растворитель и растворённое вещество, чтобы не принять массу всего раствора за массу воды. Эти навыки пригодятся при изучении растворов, расчёте массовой доли вещества и способов разделения смесей. Растворимость помогает объяснить, почему охлаждение или другие условия могут привести к выделению вещества из раствора.

Что запомнить

• Растворимость относится к определённому веществу и температуре.
• Её выражают в граммах вещества на 100 г воды.
• В насыщенном растворе при данной температуре достигнуто предельное содержание растворённого вещества.
• Для сравнения веществ необходимо сохранять одинаковые условия опыта.
• Растворимость многих твёрдых веществ изменяется при изменении температуры.
• Расчёты растворимости выполняют по массе растворителя, а не по массе раствора.