§ 6. Растворы

Определения и обозначения

Раствор — однородная смесь растворителя и растворённого вещества. Однородность означает, что состав смеси одинаков в разных её частях. Это понятие нужно, чтобы отличать раствор от смеси, в которой компоненты распределены неравномерно.

Растворитель — компонент раствора, который растворяет другое вещество и обычно присутствует в большем количестве. Например, в солёной воде растворителем является вода. Это понятие помогает определить, в какой среде распределены частицы второго компонента.

Растворённое вещество — компонент раствора, равномерно распределённый в растворителе. Так, в растворе соли в воде растворённым веществом будет соль. Название показывает роль компонента в смеси, а не то, можно ли увидеть его частицы.

Массовая доля растворённого вещества — отношение массы растворённого вещества к массе всего раствора. Её обозначают греческой буквой ω: ω = m(вещества) / m(раствора). По этой величине можно сравнивать состав растворов и рассчитывать массу нужного компонента.

Как это устроено

Раствор считают однородной смесью, потому что частицы его компонентов распределяются по всему объёму равномерно. Если взять небольшие порции из разных мест раствора, их состав будет примерно одинаковым. В неоднородной смеси этого нет: частицы или слои компонентов могут отличаться, поэтому состав в разных местах неодинаков. Например, в воде с песком заметны твёрдые частицы, а в растворе соли отдельные крупинки после перемешивания не различимы.

При растворении частицы растворённого вещества отделяются друг от друга и оказываются окружены частицами растворителя. Перемешивание помогает им быстрее распределиться по всему объёму жидкости. Вещество не исчезает: его частицы остаются в растворе, хотя глазом их уже нельзя различить. Это можно проверить, испарив воду из раствора соли: вода уйдёт, а соль останется.

Чтобы распознать компоненты раствора, выясняют, какое вещество растворяет другое и в каком количестве они взяты. Растворитель обычно составляет большую часть смеси, а растворённого вещества меньше. Например, если 15 г соли растворили в 200 г воды, вода — растворитель, а соль — растворённое вещество. Ориентироваться только на то, является ли компонент твёрдым или жидким, нельзя: роль вещества важнее его агрегатного состояния.

Масса раствора складывается из масс его компонентов: m(раствора) = m(растворителя) + m(растворённого вещества). Это связано с тем, что при смешивании вещества не пропадают: в растворе присутствует и растворитель, и растворённый компонент. Например, если смешать 180 г воды и 20 г сахара, масса раствора будет 200 г. В расчётах важно учитывать оба компонента, даже если после смешивания видна только однородная жидкость.

Массовую долю вычисляют, деля массу растворённого вещества на массу всего раствора: ω = m(вещества) / m(раствора). Доля показывает, какая часть общей массы приходится на этот компонент; её можно записать десятичной дробью или в процентах, умножив дробь на 100%. Если известны доля и масса раствора, массу вещества находят умножением: m(вещества) = ω × m(раствора), где ω записана дробью. Затем массу растворителя определяют вычитанием массы вещества из общей массы раствора.

Состав раствора и основные расчётные величины

Сначала определите, какие величины известны и что требуется найти, затем выберите подходящую связь из последнего столбца. Если массовая доля дана в процентах, перед умножением переведите её в дробь, разделив число процентов на 100. После расчёта проверьте, что массы компонентов в сумме дают массу раствора.

Разбор задач

Задача 1. Определить растворитель и растворённое вещество, если 15 г поваренной соли растворили в 200 г воды. Здесь уже известны и роль веществ, и их массы. Сопоставим эти данные, не полагаясь только на то, что соль твёрдая, а вода жидкая.

1. Вода растворяет соль, поэтому она является растворителем.
2. Соль распределяется в воде, значит, это растворённое вещество.
3. Проверяем количество: воды взяли больше, что согласуется с обычным правилом определения растворителя.

Ответ: растворитель — вода, растворённое вещество — поваренная соль. После растворения оба компонента остаются в смеси. Их отдельные частицы просто распределены равномерно.

Задача 2. В 180 г воды растворили 20 г сахара; найти массовую долю сахара. В формуле нужно делить массу сахара на массу раствора, поэтому сначала сложим массы компонентов. Это исключает ошибку, при которой в знаменателе оставляют только массу воды.

1. Находим массу раствора: 180 г + 20 г = 200 г.
2. Вычисляем долю: ω = 20 г / 200 г = 0,1.
3. Переводим дробь в проценты: 0,1 × 100% = 10%.

Ответ: массовая доля сахара равна 0,1, или 10%. Дробная запись и проценты обозначают одну и ту же долю. Проверить расчёт можно по тому, что 20 г составляют десятую часть от 200 г.

Задача 3. Сколько соли и воды нужно для приготовления 250 г 8%-ного раствора соли? Процент означает, что соль составляет 8 частей из 100 частей массы раствора. Сначала найдём массу соли, а затем определим оставшуюся массу воды.

1. Переводим проценты в дробь: 8% = 0,08.
2. Вычисляем массу соли: m(соли) = 0,08 × 250 г = 20 г.
3. Находим массу воды: 250 г − 20 г = 230 г.

Ответ: нужно взять 20 г соли и 230 г воды. Проверка: 20 г + 230 г = 250 г, а отношение 20 г к 250 г равно 0,08, или 8%. Значит, рассчитанные количества соответствуют условию.

Типичные ошибки

Иногда массовую долю находят делением массы вещества на массу растворителя. Так ошибаются, потому что сосредоточиваются на жидкости, в которой растворяли вещество, и забывают, что доля показывает часть массы всей смеси. Проверка простая: знаменатель должен быть равен массе раствора, то есть сумме масс компонентов.

Другая ошибка — считать массой раствора только массу воды. Её допускают, когда не учитывают, что добавленное вещество тоже входит в смесь. Перед расчётом запишите связь m(раствора) = m(воды) + m(вещества) и проверьте, что сумма масс компонентов совпадает с общей массой.

Растворитель и растворённое вещество порой путают, ориентируясь только на агрегатное состояние: например, автоматически называют растворителем жидкость. Но важны роль вещества и его количество, а не только то, твёрдое оно или жидкое. Проверьте, какое вещество растворяет другое и какого компонента обычно больше.

Можно решить, что при растворении вещество исчезает или превращается в другое. Такая мысль возникает потому, что частицы растворённого вещества перестают быть видны невооружённым глазом. Чтобы проверить себя, проследите за компонентами: растворённое вещество равномерно распределено в растворителе, а при разделении смеси его можно снова получить, например выпарив растворитель.

Связь с другими темами

Для понимания растворов пригодятся понятия смеси и чистого вещества: раствор — это смесь, а не отдельное чистое вещество. Также важно уметь находить массу и массовую долю, ведь эти знания нужны для описания состава смеси. Если эти расчёты пока вызывают затруднение, сначала повторите смысл отношения одной величины к другой.

Представление о составе раствора понадобится при изучении растворимости и приготовлении растворов заданной концентрации. Массовая доля помогает отмерить нужные количества компонентов, а расчёты по уравнениям химических реакций позволяют учитывать вещества, участвующие в превращениях в растворе. Поэтому важно не путать массу раствора с массой одного из его компонентов.

Что запомнить

• Раствор — однородная смесь веществ.
• Раствор состоит из растворителя и растворённого вещества.
• Масса раствора равна сумме масс растворителя и растворённого вещества.
• Массовая доля показывает, какая часть массы раствора приходится на растворённое вещество.
• Массовую долю можно выражать обычной дробью или в процентах.
• При растворении вещество не исчезает, а равномерно распределяется в растворителе.