6.3. Растворы

Определения и обозначения

Раствор — однородная система переменного состава из растворителя и растворённых веществ. В чистом веществе частицы одного вида, а соотношение элементов или частиц задано; в растворе соотношение компонентов может меняться. В неоднородной смеси состав различается в разных частях, тогда как в растворе компоненты распределены равномерно.

Растворитель — компонент раствора, который обычно сохраняет агрегатное состояние раствора и представлен в нём в наибольшем количестве. Остальные компоненты называют растворёнными веществами. Это различие помогает описывать состав и понимать, в какой среде распределены частицы вещества.

Растворимость показывает максимальную массу вещества, которая растворяется в заданной массе растворителя при определённых условиях. Часто её выражают в граммах вещества на 100 г растворителя. Значение растворимости нужно всегда связывать с условиями, прежде всего с температурой.

Массовая доля растворённого вещества — отношение массы этого вещества к общей массе раствора: w = m(вещества) / m(раствора). Массовую долю записывают десятичной дробью или в процентах: для перехода к процентам значение умножают на 100%. Она позволяет сравнивать состав растворов, даже если взяты разные количества.

Как это устроено

Растворение начинается, когда частицы растворяемого вещества соприкасаются с частицами растворителя. Между ними возникают взаимодействия, из-за которых частицы вещества отделяются от исходного тела и оказываются окружены частицами растворителя. Движение частиц постепенно разносит их по всему объёму, и система становится однородной. Если взаимодействия не способствуют такому распределению, вещество растворяется плохо или почти не растворяется.

Растворы различают по агрегатному состоянию: они бывают газообразными, жидкими и твёрдыми. Например, воздух — смесь газов, а многие сплавы представляют собой твёрдые растворы. Растворитель не обязан быть жидкостью: его выбирают по принятому правилу — чаще это компонент, задающий агрегатное состояние системы и содержащийся в большем количестве. Поэтому в газовом растворе растворителем может быть газ.

Растворимость зависит от природы растворяемого вещества и растворителя, потому что разные частицы взаимодействуют с неодинаковой силой. Она меняется и с температурой: при нагревании растворимость многих твёрдых веществ в воде увеличивается, хотя это не универсальное правило. Для газов обычно характерна обратная зависимость от температуры: нагретая жидкость удерживает их хуже. Давление особенно существенно для газов: его повышение обычно увеличивает количество газа, которое может раствориться в жидкости.

Ненасыщенный раствор содержит меньше вещества, чем может раствориться при данных условиях, поэтому добавленная порция ещё растворяется. Насыщенный раствор находится на пределе растворимости: дополнительное вещество уже не переходит в раствор в заметном количестве и может остаться отдельной фазой. В пересыщенном растворе растворённого вещества больше, чем обычно может удерживаться при равновесии. Такое состояние неустойчиво: толчок или появление кристалла может вызвать быстрое выделение избытка вещества.

Массовую долю находят сравнением массы компонента с массой всего раствора, а не только растворителя. Если раствор состоит из растворителя и одного растворённого вещества, то m(раствора) = m(растворителя) + m(вещества). Отсюда можно найти и массу вещества: m(вещества) = w · m(раствора), если w задана долей, а не процентами. При разбавлении добавленная вода увеличивает общую массу, но масса уже растворённого вещества остаётся прежней, поэтому его доля уменьшается.

Характеристики растворов и их компонентов

Сначала уточните, какую характеристику требуется найти: растворимость задаёт предел при определённых условиях, а массовая доля описывает фактический состав. Для состояний раствора сравните количество растворённого вещества с пределом растворимости. В задачах на долю обязательно используйте в знаменателе массу всей системы.

Разбор задач

Массовая доля соли

В 180 г воды растворили 20 г соли. Нужно найти долю соли во всём растворе, поэтому сначала определим его массу. Затем разделим массу соли на массу раствора и переведём результат в проценты.

1. Найдём массу раствора: 180 г + 20 г = 200 г.
2. Вычислим массовую долю: w = 20 г / 200 г = 0,1.
3. Переведём долю в проценты: 0,1 · 100% = 10%.

Ответ: массовая доля соли равна 10%. Проверка показывает, что масса соли составляет одну десятую общей массы раствора.

Получение насыщенного раствора

При данной температуре растворимость равна 25 г на 100 г воды. Спрашивается максимальная масса вещества для 300 г воды, то есть нужно масштабировать данные пропорционально. Поскольку речь о насыщенном растворе, берём именно предельное количество вещества, а не произвольную порцию.

1. Составим отношение: 25 г вещества приходится на 100 г воды.
2. Для 300 г воды масса вещества будет x = 25 г · 300 г / 100 г = 75 г.
3. Сверим смысл результата: растворимость дана при той же температуре, а рассчитанное количество достигает указанного предела.

Ответ: в 300 г воды можно растворить 75 г вещества, чтобы получить насыщенный раствор.

Разбавление раствора

К 150 г раствора с долей соли 12% добавили 50 г воды. При разбавлении количество соли не меняется, поэтому сначала найдём его в исходном растворе, а затем пересчитаем долю относительно новой массы. Ошибочно умножать исходный процент на новую массу: соль не добавляли.

1. Переведём процент в долю и найдём массу соли: 150 г · 0,12 = 18 г.
2. Найдём массу раствора после добавления воды: 150 г + 50 г = 200 г.
3. Рассчитаем новую массовую долю: w = 18 г / 200 г = 0,09 = 9%.

Ответ: после разбавления массовая доля соли равна 9%. Она стала меньше, поскольку масса соли осталась 18 г, а общая масса раствора увеличилась.

Типичные ошибки

Первая ошибка — делить массу растворённого вещества на массу растворителя. Так можно оценить отношение масс компонентов, но это не массовая доля вещества в растворе. Её определение требует знаменателя m(раствора). Для проверки сложите массы всех компонентов и используйте полученную сумму в знаменателе.

Вторая ошибка — считать массу раствора равной массе растворителя. Такое упрощение теряет массу растворённого вещества, поэтому итоговая доля получается завышенной. Масса раствора включает и растворитель, и все растворённые компоненты. Самопроверка: общая масса должна быть больше массы одного компонента, если в систему добавили другие вещества.

Третья ошибка — воспринимать растворимость как неизменную величину. Её значение зависит от природы растворителя и растворяемого вещества, температуры, а для газов — также от давления. Поэтому перед применением числа из условия проверьте, к каким условиям оно относится. Если меняются температура или давление газа, нельзя автоматически использовать прежнюю растворимость.

Четвёртая ошибка — называть насыщенный раствор раствором с максимальной концентрацией при любых условиях. Предел растворения относится к конкретной системе и заданным условиям; при изменении температуры он может измениться. Сравнивать количество растворённого вещества с пределом нужно при одной и той же температуре и для одного состава системы. Проверьте, указаны ли условия, при которых дана растворимость.

Связь с другими темами

Для изучения растворов нужно знать, чем чистое вещество отличается от смеси, каковы агрегатные состояния и как находить массу и массовую долю компонента. Эти понятия позволяют описывать состав раствора и понимать расчёты. Далее тема понадобится при изучении электролитической диссоциации, кислот, оснований и солей в водных растворах. Умение вычислять состав также используют при приготовлении растворов заданной концентрации и решении задач о химических реакциях в растворах.

Что запомнить

• Раствор — однородная смесь переменного состава.
• Раствор включает растворитель и одно или несколько растворённых веществ.
• Растворимость указывают для определённых условий, прежде всего температуры.
• Насыщенный раствор содержит максимально возможное при данных условиях количество растворённого вещества.
• Масса раствора равна сумме масс всех его компонентов.
• Массовая доля равна отношению массы компонента к массе раствора.