§ 20. Растворы — однородные смеси веществ

Определения и обозначения

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Однородной называют смесь, состав которой одинаков в любой её части. Частицы компонентов распределены так мелко, что глаз не различает их по отдельности; поэтому раствор выглядит как одно вещество.

Растворитель — компонент, который растворяет другое вещество. Обычно растворителя в смеси больше, но это не обязательное условие: количества компонентов могут быть сопоставимыми. Понятие помогает определить, в какой среде распределилось растворённое вещество.

Растворённое вещество — компонент, частицы которого распределены в растворителе и вместе с ним образуют однородную смесь. Оно может быть твёрдым, жидким или газообразным. Название описывает его роль в растворе, а не то, что оно куда-то пропало.

Массовая доля растворённого вещества — отношение его массы к массе всего раствора: ω = m(вещества) / m(раствора). Массовую долю можно записать обычной дробью или десятичным числом; чтобы получить проценты, результат умножают на 100%. Эта величина показывает, какую часть массы раствора составляет растворённый компонент.

Как это устроено

Когда подходящее вещество смешивают с растворителем, его частицы отделяются друг от друга и оказываются между частицами растворителя. Частицы непрерывно движутся и перемешиваются, поэтому растворённый компонент постепенно распределяется по всему объёму. Если условия позволяют веществу растворяться, смесь становится однородной, а её отдельные компоненты перестают быть заметны.

При растворении вещество не исчезает, даже если его уже нельзя увидеть. Оно сохраняется в виде частиц внутри смеси, поэтому масса растворённого компонента входит в массу раствора. Это можно проверить на примере соли: если оставить солёную воду испаряться, вода уйдёт в виде пара, а соль останется в ёмкости.

У раствора состав одинаков в разных его частях, потому что частицы растворённого вещества распределены по всему объёму. В неоднородной смеси компоненты находятся неравномерно или сохраняют отдельные видимые частицы. Поэтому раствор нельзя разделить на компоненты простым отстаиванием или обычным фильтрованием: мелкие частицы проходят вместе с жидкостью, а не оседают как песок.

В смеси воды с солью вода является растворителем, а соль — растворённым веществом. Чтобы определить роли, выясняют, какое вещество растворяет другое и в какой среде распределяются его частицы. Вода здесь образует жидкую среду, а соль после перемешивания уже не видна отдельно, хотя остаётся в смеси.

Масса раствора складывается из массы растворённого вещества и массы растворителя: m(раствора) = m(вещества) + m(растворителя). Это следует из того, что при смешивании компоненты не исчезают, а образуют общую смесь. Чтобы найти массовую долю, массу растворённого вещества делят на массу раствора; массу растворителя вместо массы раствора в знаменатель подставлять нельзя.

Раствор и неоднородная смесь: сравнение

Сравнивайте признаки в таблице не по одному примеру, а по составу и распределению частиц. Если смесь однородна и компоненты не отделяются фильтрованием, это указывает на раствор. Если видны отдельные частицы, как у песка в воде, смесь неоднородна.

Разбор задач

Вода и сахар

Задача. Определите растворитель и растворённое вещество в смеси воды и сахара. Нужно установить, какой компонент создаёт среду, а какой распределяется в ней. Предполагается, что сахар растворился полностью.

1. Назовём оба компонента: вода и сахар. Это позволяет не перепутать вещества при определении их ролей.
2. Установим, в какой жидкости растворяется другой компонент: сахар растворяется в воде. Значит, вода выполняет роль растворителя.
3. Оставшийся компонент, частицы которого распределились в воде, является растворённым веществом.

Ответ: вода — растворитель, сахар — растворённое вещество. Определять роли только по тому, какое вещество твёрдое или жидкое, не нужно: решающий признак — в чём растворяется другой компонент.

Массовая доля соли

Задача. В растворе массой 120 г содержится 30 г соли. Найдите массовую долю соли в процентах. В знаменателе должна быть масса всего раствора, потому что доля показывает часть вещества от общей массы смеси.

1. Запишем формулу: ω% = m(соли) / m(раствора) × 100%.
2. Подставим данные: ω% = 30 г / 120 г × 100%. Граммы сокращаются, поэтому результат выражается в процентах.
3. Выполним деление и умножение: 30 / 120 = 0,25; 0,25 × 100% = 25%.

Ответ: массовая доля соли равна 25%. Проверка здравого смысла: 30 г — это четверть от 120 г, значит, доля составляет четверть, или 25%.

Приготовление раствора

Задача. Для приготовления раствора с массовой долей соли 12% смешали 18 г соли и воду. Найдите массу воды, которую нужно добавить. Сначала найдём массу всего раствора, поскольку процент дан от неё, а уже затем отделим массу соли.

1. Переведём процент в долю: 12% = 0,12. Из формулы ω = m(соли) / m(раствора) выразим массу раствора: m(раствора) = m(соли) / ω.
2. Подставим данные: m(раствора) = 18 г / 0,12 = 150 г. Это масса соли вместе с водой.
3. Найдём массу воды вычитанием: m(воды) = 150 г − 18 г = 132 г.

Ответ: нужно добавить 132 г воды. Проверим: 18 г соли в 150 г раствора составляют 18 / 150 = 0,12, то есть 12%.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что растворённое вещество исчезает. Так думают, потому что после перемешивания его не видно; однако частицы сохраняются, что показывает опыт с испарением воды из раствора соли. Проверьте себя: если удалить растворитель, может ли растворённое вещество остаться?

Ошибка: называть растворителем всегда воду. Это привычное предположение, ведь многие знакомые растворы водные, но растворителем может быть и другое вещество. Проверьте, какой компонент растворяет другой, а не просто ищите воду в составе.

Ошибка: делить массу вещества на массу растворителя при вычислении массовой доли. Путаница возникает потому, что растворитель — важная часть смеси, но массовая доля сравнивает вещество со всем раствором. Проверьте знаменатель: в формуле должна стоять общая масса растворённого вещества и растворителя.

Ошибка: забывать, что масса раствора равна сумме масс его компонентов. Иногда массу раствора принимают за массу растворителя, потому что его обычно больше. Проверьте вычисление равенством m(раствора) = m(вещества) + m(растворителя); если сумма не сходится, в расчёте пропущен компонент или допущена ошибка.

Связь с другими темами

Чтобы понять растворы, нужно знать, что вещества состоят из частиц: именно этим объясняется распределение растворённого вещества в растворителе. Также важно различать однородные и неоднородные смеси, сравнивая состав и видимость компонентов. Эти знания помогают понять, почему соль растворяется в воде, а песок остаётся отдельными частицами.

Понятие раствора пригодится при изучении массовой доли и расчётов для приготовления смесей заданного состава. Растворы также встречаются при рассмотрении химических реакций в водной среде. Умение определять растворитель и растворённое вещество помогает правильно записывать условия таких задач.

Что запомнить

• Раствор — однородная смесь.
• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Растворённое вещество при растворении не исчезает.
• Состав раствора одинаков в разных его частях.
• Масса раствора равна сумме масс растворителя и растворённого вещества.
• Массовая доля — отношение массы растворённого вещества к массе раствора.