Химия как найти растворимость вещества

Растворимость (Р, χ или k_s) – это характеристика насыщенного раствора, которая показывает, какая масса растворенного вещества может максимально раствориться в 100 г растворителя. Размерность растворимости — г/ 100 г воды. Поскольку мы определяем массу соли,  которая приходится на 100 г воды, в формулу растворимости добавляем множитель 100:

здесь m_р.в. – масса растворенного вещества, г

           m_р-ля – масса растворителя, г

Иногда используют обозначение коэффициент растворимости k_S.

Задачи на растворимость, как правило, вызывают сложности, так как эта физическая величина для школьников не очень привычна. 

Растворимость веществ в различных растворителях меняется в широких пределах.

В таблице приведена растворимость некоторых веществ в воде при 20^oС:

Вещество	Растворимость, г на 100 г H2O	Вещество	Растворимость, г на 100 г H2O
NH4NO3	177	H3BO3	6
NaCl	36	CaCO3	0,0006
NaHCO3	10	AgI	0,0000002

От чего же зависит растворимость веществ? От ряда факторов: от природы растворенного вещества и растворителя, от температуры и давления. В справочных таблицах предлагается вещества делят на хорошо растворимые, малорастворимые и нерастворимые. Такое деление очень условное, поскольку абсолютно нерастворимых веществ нет. Даже серебро и золото растворимы в воде, однако их растворимость настолько мала, что можно пренебречь ей. 

Зависимость растворимости от природы растворенного вещества и растворителя*

Растворимость твердых веществ в жидкостях зависит от структуры твердого вещества (от типа кристаллической решетки твердого вещества). Например, вещества с металлическими кристаллическими решетками (железо, медь и др.) очень мало растворимы в воде. Вещества с ионной кристаллической решеткой, как правило, хорошо растворимы в воде.

Есть замечательное правило: “подобное хорошо растворяется в подобном”. Вещества с ионным или полярным типом связи хорошо растворяются в полярных растворителях. Например, соли хорошо растворимы в воде. В то же время неполярные вещества, как правило, хорошо растворяются в неполярных растворителях.

Большинство солей щелочных металлов и аммония хорошо растворимы в воде. Хорошо растворимы почти все нитраты, нитриты и многие галогениды (кроме галогенидов серебра, ртути, свинца и таллия) и сульфаты (кроме сульфатов щелочноземельных металлов, серебра и свинца). Для переходных металлов характерна небольшая растворимость их сульфидов, фосфатов, карбонатов и некоторых других солей.

Растворимость газов в жидкостях также зависит от их природы. Например, в 100 объемах воды при 20^oС растворяется 2 объема водорода, 3 объема кислорода. В тех же условиях в 1 объеме Н₂О растворяется 700 объемов аммиака. 

Влияние температуры на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*

Растворение газов в воде вследствие гидратации молекул растворяемого газа сопровождается выделением теплоты. Поэтому при повышении температуры растворимость газов понижается.

Температура различным образом влияет на растворимость твердых веществ в воде. В большинстве случаев растворимость твердых веществ возрастает с повышением температуры. Например, растворимость нитрата натрия NaNO₃ и нитрата калия КNO₃ при нагревании увеличивается (процесс растворения протекает с поглощением теплоты). Растворимость NaCl при увеличении температуры возрастает незначительно, что связано с почти нулевым тепловым эффектом растворения поваренной соли. 

Влияние давления на растворимость газов, твердых веществ и жидкостей*

На растворимость твердых и жидких веществ в жидкостях давление практически не оказывает влияния, так как изменение объема при растворении невелико. При растворении газообразных веществ в жидкости происходит уменьшение объема системы, поэтому повышение давления приводит к увеличению растворимости газов. В общем виде зависимость растворимости газов от давления подчиняется закону У. Генри (Англия, 1803 г.): растворимость газа при постоянной температуре прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.

Закон Генри справедлив лишь при небольших давлениях для газов, растворимость которых сравнительно невелика и при условии отсутствия химического взаимодействия между молекулами растворяемого газа и растворителем.

Влияние посторонних веществ на растворимость*

В присутствии в воде других веществ (солей, кислот и щелочей) растворимость газов уменьшается. Растворимость газообразного хлора в насыщенном водном растворе поваренной соли в 10 раз меньше. Чем в чистой воде.

Эффект понижения растворимости в присутствии солей называется высаливанием. Понижение растворимости обусловлено гидратацией солей, что вызывает уменьшение числа свободных молекул воды. Молекулы воды, связанные с ионами электролита, уже не являются растворителем для других веществ.

Примеры задач на растворимость

Задача 1. Массовая доля вещества в насыщенном растворе равна 24% при некоторой температуре. Определите коэффициент растворимости этого вещества при данной температуре.

Решение:

Для определения растворимости вещества примем массу раствора равной 100 г. Тогда масса соли равна:

m_р.в. = m_р-ра⋅ω_р.в. = 100⋅0,24 = 24 г

Масса воды равна: 

m_воды = m_р-ра – m_р.в. = 100 — 24 = 76 г

Определяем растворимость:

χ = m_р.в./m_р-ля⋅100 = 24/76⋅100 = 31,6 г вещества на 100 г воды.

Ответ: χ = 31,6 г

Еще несколько аналогичных задач:

2. Массовая доля соли в насыщенном растворе при некоторой температуре равна 28,5%. Определите коэффициент растворимости вещества при этой температуре.

3.  Определите коэффициент растворимости нитрата калия при некоторой температуре, если массовая доля соли при этой температуре равна 0,48.

4. Какая масса воды и соли потребуется для приготовления 500г насыщенного при некоторой температуре раствора нитрата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 63,9г соли в 100г воды?

Ответ: 194,95 г

5. Коэффициент растворимости хлорида натрия при некоторой температуре составляет 36г соли в 100г воды. Определите молярную концентрацию насыщенного раствора этой соли, если плотность раствора 1,2 г/мл.

Ответ: 5,49М

6. Какая масса соли и 5% раствора её потребуется для приготовления 450г насыщенного при некоторой температуре раствора сульфата калия, если его коэффициент растворимости при этой температуре равен 439г/1000г воды?

7. Какая масса нитрата бария выделится из раствора, насыщенного при 100ºС и охлаждённого до 0ºС, если во взятом растворе было 150мл воды? Коэффициент растворимости нитрата бария при температурах 0ºС и 100ºС равен соответственно 50г и 342г в 100г воды.

8. Коэффициент растворимости хлорида калия при 90ºС равен 500г/л воды. Сколько граммов этого вещества можно растворить в 500г воды при 90ºС и какова его массовая доля в насыщенном растворе при этой температуре?

9. В 500г воды растворено при нагревании 300г хлорида аммония. Какая масса хлорида аммония выделится из раствора при его охлаждении до 50ºС, если коэффициент растворимости соли при этой температуре равен 50г/л воды?

* Материалы портала onx.distant.ru

«Методика решения задач на растворимость и
массовую долю вещества в растворе».

Выполнена учителем химии МБОУ СОШ № 18 г.
Ногинска Московской области Ломать Светланой Петровной.

1.      Растворимость
– это способность вещества растворяться в воде или
другом растворителе. Количественно растворимость определяют коэффициентом
растворимости  или просто растворимостью вещества.

Растворимость вещества X
(s)
– это масса вещества, которая может раствориться при данных условиях в 100г
растворителя с образованием насыщенного раствора:

S=
m(x)
/ m(H₂O)
× 100 (г).

Массовая доля безводного
вещества Х в насыщенном растворе связана с его растворимостью соотношением:

W(X)
= s / s
+100

Для вычисления массы безводного
вещества в определенной массе насыщенного раствора можно вывести формулу:

W(x) = m(x) / m(р–ра)
=> m(x) / m(р–ра)=
s / s + 100 ; откуда

m (x) = (s / s + 100 ) ∙
m(р–ра).

Пример 1. Определите,
какая масса нитрата бария может раствориться в воде объемом 500 мл при 30⁰С.
Растворимость нитрата бария при данной температуре составляет 14,2 г.

                                         
Решение:

Плотность воды составляет
1 г/мл, поэтому

m(Н₂О)
= 500 ∙ 1 = 500 г.

Определяем массу нитрата
бария.

По формуле:   
s = m(Ba(NO₃)₂) / m(H₂O) ∙ 100  =>

ð  m(Ba(NO₃)₂)
= s ∙ m(H₂O) / 100 = 14,2 ∙ 500 / 100 = 71г.

Ответ:
m(Ba(NO₃)₂)
=71 г.

            Пример 2.  Массовая
доля хлорида аммония в насыщенном растворе при 30⁰С                           
.           равна 29,5%. Определите растворимость NH₄Cl
при данной температуре.

                                                    
Решение:

1.      Вычисляем
массу соли в растворе массой 100г:

m(NH₄Cl)
= m(р-ра)
∙ w(NH₄Cl)
= 100 ∙ 0,295 = 29,5 г.

2.     
Находим массу воды в растворе массой 100
г:

m(H₂O)
= m(р-ра)
– m(NH₄Cl)
= 100 -29,5 =70,5 г

3.     
Определяем растворимость NH₄Cl.

S³⁰
= m(NH₄Cl) / m(H₂O) ∙ 100 = 29,5 / 70,5 ∙ 100 = 41,84 г.

Ответ:
S³⁰
= 41,84 г.

            Пример 3. Вычислите,
какая масса нитрата калия выпадет в осадок, если 100
г                                    .            насыщенного при температуре
70⁰С раствора KNO₃
охладить до температуры 0⁰С.                           .          
Растворимость нитрата калия составляет 138г при t⁰=70⁰
и 13,3г при t⁰
ρ=0⁰C.

                                             
Решение:

1.      Находим
массу соли в насыщенном растворе массой 100 г при 70⁰С.

По формуле:  s⁷⁰
= m⁷⁰(KNO₃)
/ m(H₂O)
∙ 100 = m⁷⁰(KNO₃)
/ (m(р-ра)
– m⁷⁰(KNO₃))
∙100 =>  m⁷⁰(KNO₃)
= (s⁷⁰
∙ (m(р-ра)
– m⁷⁰(KNO₃))
/ 100 = 138 ∙ ( 100 – m⁷⁰(KNO₃))
/ 100 ; отсюда m⁷⁰(KNO₃)
= 57, 98 г.

2.      Находим
массу воды в насыщенном растворе массой 100 г:

m(H₂O)
= m(р-ра)
– m⁷⁰(KNO₃)
= 100 – 57,98 = 42,02 г.

3.      Находим
массу соли, выпавшей в осадок:

m(
осадка KNO₃)
= m⁷⁰(KNO₃)
– m⁰(KNO₃)
= 57,98 – 5,59 = 52,39 г.

Ответ: m(осадка
KNO₃)
= 52,39 г.

2.      Массовая
доля растворенного вещества – это отношение массы
растворенного вещества к общей массе раствора:

W(раств.в-ва)
= m(раств.в-ва)
/ m(р-ра)
( в долях единицы), откуда

m(раств.в-ва)
= m(р-ра)
∙ w(раств.в-ва);

W(раств.в-ва)
= m(раств.в-ва)
/ m(р-ра)
∙ 100% ( в процентах).

Эта формула указывает
массу безводного вещества, содержащегося в 100 г раствора. Раствор состоит из
растворенного вещества и растворителя.

m(р-ра)
= m(раств.в-ва)
+ m(H₂O)

W(раств.в-ва)
= m(раств.в-ва)
/ (m(раств.в-ва)
+ m(H₂O))/

Массу раствора можно
выразить через объем раствора (V)и
его плотность (ρ): m(р-ра) = V ∙ ρ. Откуда:     

W(раств.в-ва)
= m(раств.в-ва)
/ V ∙ ρ ;

m(раств.в-ва)
= V
∙ ρ ∙ w(раств.в-ва).

Пример 1. Определите
массовую долю (%) соли в растворе, полученном при растворении 50 г соли в 200 г
воды.

                                         Решение:

W(соли)
= m(соли)
/ (m(соли)
+ m(H₂O)
= 50 / (50+ 200) = 0,2 или 20%

Ответ: W(соли)
=0,2 или 20%.

Пример 2. Вычислите
массу гидроксида калия в растворе объемом 600 мл и плотностью 1,082 г/мл, если
массовая доля гидроксида калия составляет 10% .

                                      
 Решение:

W(KOH)
= m(KOH)
/ V∙
ρ;

m(KOH)
= w(KOH)
∙ V
∙ ρ
= 0,1 ∙ 600 ∙ 1,082 = 64,92 (г).

Ответ:
m(KOH)
= 64,92 (г).

Пример 3. Какую
массу воды надо прибавить к раствору гидроксида натрия массой 150 г с массовой
долей 10%, чтобы получить раствор с массовой долей 2%?

                                                       
 Решение:

m₂(р-ра)
= m₁(р-ра)
+ m
(воды)     

w₂(NaOH)
= m(NaOH)
/ m₂
(р-ра) = m₁(р-ра)
∙ w₁(NaOH)
/ (m₁(р-ра)
+ m(H₂O));

0,02 = 150 ∙ 0,1 / (150 +
m(H₂O); 
m(H₂O)
= 600г.

    Ответ:
m(Н₂О)
=600 г.

    Пример 4. Какую
массу раствора с массовой долей уксусной кислоты 40% надо прибавить к 500 г
воды для получения раствора с массовой долей уксусной кислоты 15%?

                                                              
 Решение:

W₂(CH₃COOH)
= m(р-ра)
∙ m₁(CH₃COOH)
/ (m(р-ра)
+ 500;

0,15 = m(р-ра)
∙ 0,4 / (m(р-ра) +500 ;

m(р-ра)
= 300 г.

    Ответ:
m(р-ра)
= 300 г.

    Пример 5. Какой
объем раствора с массовой долей гидроксида калия 50% ( плотностью 1,538 г/ мл)
требуется для приготовления 3 л раствора гидроксида калия с массовой долей 6% (
плотностью 1,048 г/мл)?

                                                              
Решение:

W₂
(KOH)
= V₁
∙ ρ₁
∙ w₁(KOH)
/ V₂
∙ ρ₂ ;

0,06 = 0,5 ∙ 1,538 ∙ V₁
/ 3000 ∙ 1,048;

0,06 ∙ 3000 ∙ 1,048 = 0,5
∙ 1,538 ∙ V₁
;

V₁
= 245,3 мл.

    Ответ:
V₁
= 245,3 мл.

Была ли эта статья полезной?

Растворимость. Произведение растворимости

Растворение
вещества в заданном количестве
растворителя происходит до состояния
насыщения.
Насыщенный раствор
–
раствор, находящийся в динамическом
равновесии с растворяющимся веществом.
Молярная концентрация растворенного
вещества в насыщенном растворе называется
растворимостью
этого вещества при данной температуре
Р(х) = С_м(х).
При растворении электролита, например,
соли, в раствор переходят не молекулы,
а ионы. В этом случае в насыщенном
растворе равновесие устанавливается
между солью в кристаллическом состоянии
и ионами, перешедшими в раствор:

СаСО₃(кр)
=
Ca²⁺+
СО₃^2-.

Константа равновесия
этого процесса:

Крав.
=
[Ca²⁺]
•
[СО₃^2-]/
[СаСО₃(кр)]

Концентрация
СаСО₃(кр)
является величиной постоянной, тогда

Крав.
• [СаСО₃(кр)]
=
[Ca²⁺]
•
[СО₃^2-]
=
ПР или ПР
=
(P(x))².

ПР – называется
произведением растворимости
труднорастворимого электролита (ТРЭ).

При постоянной
температуре в насыщенном растворе
электролита произведение концентраций
ионов с учетом стехиометрических
коэффициентов в уравнении диссоциации
есть величина постоянная при. Значения
ПР для известных ТРЭ помещены в справочник.

Для
ТРЭ типа А₂В₃
=
2А⁺³
+
3В^2-
выражение для произведения растворимости
имеет вид:

ПР
=
[А^а+]²
•
[В^в-]³
=
[2Р(х)]²
•
[3Р(х)]³
= 108
Р(х)⁵.

Исходя из значений
ПР можно количественно оценить условия
образования и растворения осадков,
рассчитать растворимость Р(х) и молярную
концентрацию ионов электролита в его
насыщенном растворе (см. таблицу ниже).

При увеличении
концентрации одного из ионов ТРЭ в его
насыщенном растворе (например, путем
введения хорошо растворимого электролита,
содержащего тот же ион) произведение
концентраций ионов электролита (ПК)
становится больше ПР. При этом равновесие
между твердой фазой и раствором смещается
в сторону образования осадка.

Условием
образования осадка является превышение
произведения концентраций ионов
малорастворимого
электролита
над его произведением растворимости,
т.е.
ПК
> ПР.

Например,
если в насыщенный раствор AgCI
добавить сильный
электролит KCI,
то
появление в растворе одноименного иона
(CI^–)
приводит к смещению равновесия в сторону
образования
осадка (←).
Когда устанавится
новое равновесие, при котором произведение
концентраций ионов электролита вновь
становится равным ПР, то в растворе
появится осадок,
концентрация ионов Ag⁺
будет меньше, а концентрация ионов CI^–
– больше, чем было до добавления KCI.

AgCI↓
<=> AgCI <=> Ag⁺
+ CI^–

Осадок нас.р-р
раствор

Напротив, если в
насыщенном растворе электролита
уменьшить концентрацию одного из ионов
(например, связав его каким-либо другим
ионом), произведение концентраций ионов
будет меньше значения ПР, раствор станет
ненасыщенным, а равновесие между жидкой
фазой и осадком сместится в сторону
растворения осадка (→).

Условием
растворения
осадка малорастворимого электролита
является недонасыщение раствора, т.е
при условии, когда произведение
концентраций его ионов меньше значения
ПР
т.е.
ПК
< ПР.

Пример
1.
Растворимость Аg₃РО₄
в воде при
20°C равна
0.0065 г/л.
Рассчитайте значение ПР (Аg₃РО₄).

Решение.
Растворимость Аg₃РО₄
или молярная концентрация соли в
насыщенном
растворе, равна:

т
(Аg₃РО₄)
0.0065

Р
(Аg₃РО₄)
= ——————————— = ——————
=
l,6
•l0^-5
моль/л

М
(Аg₃РО₄)
• V(z)
418,58 • 1

Диссоциации
фосфата серебра идет по уравнению:
Аg₃РО₄
=
3Ag⁺
+
РО₄^3–.
Видно,
что из
1
моля соли образуется
3
моля ионов
Ag⁺
и
1
моль ионов
Р0₄^3–,
поэтому [Р0₄^3–]
=
P(x), a [Ag⁺]
=
3Р(х).
Отсюда находим ПР:

ПР
=
[Ag⁺]³
•
[РО₄^3–]
=
(3Р)³
•
Р
= (4,8 •10^-5)
³
•l,6•10^–5
=
1,77
•10^–18.

Пример
2.
Произведение растворимости йодида
свинца при 20°С равно
8•10^–9.
Вычислить
растворимость соли (в моль/л и в г/л) при
указанной
температуре.

Решение.
Обозначим искомую растворимость через
Р
(моль/л). Тогда в насыщенном растворе
РbI₂
содержится
Р
моль/л ионов Рb²⁺
и
2Р
моль/ л ионов
I^–.Отсюда

ПР(РbI₂)
=
[Рb²⁺]
[I^–]²
= Р(2Р)²
=
4 Р³
и

Р
= (
ПР(РbI₂)/4
)^1/3
=
(
8
•
10^-9/
4)^1/3
= 1,3
10^-3
моль/л.

Молярная
масса РbI₂
равна
461
г/моль, поэтому растворимость РbI₂,
выраженная в г/л, составит 1,3
10^-3
моль/ л • 461 г/ моль = 0,6
г/л.

Пример
3.
Во сколько раз растворимость оксалата
кальция СаС₂О₄
в
0,1
М
растворе оксалата аммония
(NH₄)₂С₂О₄
меньше, чем в воде? Диссоциацию оксалата
аммония на ионы считать полной.

Решение.
Вычислим сначала растворимость оксалата
кальция в воде. Обозначив концентрацию
соли в насыщенном растворе через
Р
(моль/ л), можем записать:

ПР(СаС₂О₄)
=
[Са²⁺]
[С₂О₄^2-]
= Р²
.

Отсюда,
используя значение ПР(СаС₂О₄)=
2 10^-9,

Р
=

(ПР(СаС₂О₄)^1/2
=
( 2
10^-9
)^1/2
=
4,5 •
10^-5
моль/л.

Теперь
найдем растворимость той же соли в
0,1
М раствора (NH₄)₂С₂О₄;
обозначим ее через
Р‘.
Концентрация ионов Са²⁺
в насыщенном растворе тоже будет равна
Р’,
а концентрация ионов С₂О₄^2-составит
(0,1 + Р’).
Поскольку
Р‘<<0,1,
то
величиной
Р’
по сравнению с
0,1М
можно пренебречь и считать, что [С₂О₄^2-]
= 0,1
моль/л. Тогда можно записать:

ПР(СаС₂О₄)
= 2
•10^-9
= Р’
•
0,1

и
Р’
= 2 •
10^-9/
0,1
=

2 •
10^-8
моль/л.

Таким
образом, в присутствии (NH₄)₂С₂О₄
растворимость СаС₂О₄
уменьшилась в
4,5•10^-5
/
(2•10^-8)
раз,т. е. приблизительно в
2200
раз.

Пример
4.
Смешаны равные объемы
0,01
М. растворов хлорида кальция и сульфата
натрия. Образуется ли осадок сульфата
кальция?

Решение.
Найдем произведение концентраций ионов
Са²⁺
и
SO₄^2-
и сравним его с произведением растворимости
сульфата кальция. Исходные молярные
концентрации растворов
CaCl₂
и
Na₂S0₄
одинаковы и равны
0,01
моль/л. Поскольку при смешении исходных
растворов общий объем раствора вдвое
возрастет, то концентрации ионов [Са²⁺]
и
[SО₄^2-]

вдвое уменьшатся по сравнению с исходными.

Таким
образом, [Са²⁺]
=
[SО₄^2-]
=
0,005 = 5 •
10^–3
моль/л.

Находим
произведение концентраций ионов ПК
= [Са²⁺]
[SО₄^2-]
=
(5 •
10^–3)²
= 2,5 •
10^–5.

ПР(CaSO₄)
=
1,3•10^–4.
Найденное значение произведения
концентрации ионов меньше этой величины;
следовательно, раствор
будет
ненасыщенным относительно сульфата
кальция, и осадок не образуется.

Для решения
задач на ПР , ПК, растворимость можно
воспользоваться таблицей, приведенной
ниже.

Параметры насыщенно- го раствора	Тип электролита и уравнение диссоциации электролита
АВ А+В	А2В 2А+В (АВ2)	А3В 3А+В (АВ3)	А2В32А+3В (А3В2)
См (эл-та), моль/л	Р	Р	Р	Р
См (А), моль/л	Р	2 Р	3 Р	2 Р
См (В), моль/л	Р	Р	Р	3 Р
Масса эл-та, г/л	М(АВ) Р	М(А2В) Р	М(А3В) Р	М(А2В3) Р
Масса (А)эл-та, г/л	М(А) Р	2М(А) Р	3М(А) Р	2М(А) Р
Масса (В), г/л	М(В) Р	М(В) Р	М(В) Р	3М(В) Р
ПР электролита	Из справочника	Из справочника	Из справочника	Из справочника
ПР электролита (расч)	Р2	4Р3	27Р4	108Р5
Р = СМ (нас), моль/л	(ПР)1/2	(ПР/4)1/3	(ПР/27)1/4	(ПР/108)1/5

ЗАДАЧИ

1. Вычислить
   произведение растворимости РbВr₂
   при 25°С,
   если
   растворимость соли при этой температуре
   равна 1,32
   •
   10^-2
   моль/л.

2. В
   500
   мл воды при 18°С растворяется
   0,0166
   г
   Ag₂CrО₄
   .Чему
   равно произведение растворимости этой
   соли?

3. Для
   растворения
   1,16
   г РbI₂
   потребовалось
   2
   л воды. Найти
   произведение
   растворимости соли.

4. Исходя
   из произведения растворимости карбоната
   кальция,
   найти
   массу СаСО₃,
   которая содержится в
   100
   мл его насыщенного
   раствора.

5. Вычислить
   объем воды, необходимый для растворения
   при
   25°С
   1
   г
   BaSО₄.

6. Рассчитайте
   молярную концентрацию ионов свинца
   (Pb²⁺)
   в
   насыщенном
   растворе иодида свинца. ПР
   (PbJ₂)
   = 10^-8.

7. Рассчитайте
   ПР соли
   NiC₂O₄,
   если в
   100
   мл насыщенного раствора этой соли
   содержится
   0,001174
   г ионов никеля.

8. Для
   растворения
   0,72
   г карбоната кальция потребовалось
   15
   л
   воды.
   Вычислите ПР карбоната кальция, считая,
   что объем раствора равен
   объему
   растворителя.

9. Рассчитайте,
   в каком объеме насыщенного раствора
   хлорида
   свинца
   (II)
   содержится
   0,1
   г ионов свинца, ПР
   (PbCl₂)
   = l,6•10^-5.

10. Рассчитайте
    массу кальция в виде ионов Са⁺²
    которая находится
    в
    500
    мл насыщенного раствора сульфата
    кальция, ПР (СаSО₄)
    = 1,3 •
    10^-4.

11. Рассчитайте
    массу кальция в виде ионов Са⁺²
    которая находится
    в
    500
    мл насыщенного раствора сульфата
    кальция, ПР (СаSО₄)
    = 1,3 •
    10^-4.

12. Сколько
    литров воды потребуется для растворения
    0,1
    г хлорида
    серебра
    для получения насыщенного раствора,
    ПР
    (AgCl) = 1
    •
    10^–10
    .

13. Выпадет
    ли осадок сульфата кальция, если к
    200
    мл
    0,002
    молярного раствора хлорида кальция
    добавить
    2000
    мл
    0,00001
    молярного
    раствора
    сульфата калия, ПР(СаSО₄)
    =
    10^–4.

14. 14.
    Рассчитайте, в каком объеме насыщенного
    раствора содержится
    0.1
    г иодида серебра,
    ПP(AgI)=8,3•10^-17.

15. 15.В
    насыщенном растворе хромата серебра
    молярная концентрация
    иона
    СrО^-2
    равна
    0.0001
    моль/л. Рассчитайте ПР хромата серебра
    и молярную концентрацию иона серебра
    в этом растворе.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Понятие растворимости, растворения. Процесс растворения. Факторы, влияющие на процесс растворения

В данной статье мы постараемся не только максимально раскрыть теорию растворения, но и обобщить, систематизировать сведения из различных источников о процессе растворения и влиянии внешних факторов на растворимость. Но главная цель статьи — вывести уравнение зависимости растворимости твердых веществ в воде и других жидких растворителях от температуры. Или другими словами, вывести уравнение температурного фактора растворимости твердых веществ.

Процесс растворения — сложный физико-химический процесс, при котором образуется гомогенная термодинамически устойчивая система, называемая раствором. Вещество, в котором растворяется другое вещество или несколько веществ называется растворителем.

Существует множество различных видов и классификаций видов растворов — жидкие, твердые, газообразные, истинные (ионно-молекулярные), коллоидно-дисперсные [5]. Растворяемыми веществами могут быть газы, жидкости и твердые вещества.

В данной статье мы немного сузим задачу — рассмотрим проблему растворимости твердых веществ в жидких растворителях, а также очень поверхностно затронем тему растворимости газов.

Растворимость — способность вещества растворяться в растворителе. Существуют различные меры растворимости. Две наиболее распространенные меры растворимости: по количеству грамм растворенного вещества к количеству грамм растворителя г/100 г. растворителя (m растворяемого/m растворителя); но более удобная — молярная — по количеству вещества в объеме раствора, моль/литр (n растворяемого вещества/V раствора). Однако обе из этих классификации часто используются в литературе.

При растворении твердых веществ в жидкостях протекают следующие процессы:

1. Разрушение кристаллической решетки твердого вещества. Для разрушения кристаллической решетки твердого вещества необходимы затраты энергии. Данный процесс является эндотермическим, для его осуществления необходим приток тепла извне.

2. Диффузия молекул жидкости и молекул твердого вещества. Скорость диффузии определяется скоростью движения молекул, то есть скорость диффузии прямо зависит от температуры. Чем она выше, тем скорее протекает данная стадия [5]:

3. Сольватация — процесс взаимодействия молекул жидкости и молекул твердого вещества (если растворитель — вода, данный процесс называется гидратацией).

   Процесс сольватации может быть как эндо-, так и экзотермическим. То есть при взаимодействии молекул растворителя и твердого вещества может как выделяться теплота, так и поглощаться. Следовательно, повышение температуры может как замедлить, так и укорить данную стадию. В данном случае все зависит только от природы молекул растворителя и растворяемого вещества.

В соответствии с источником [2] растворимость твердых веществ определяется следующими факторами:

1. Природа растворителя и природа растворенного вещества. Здесь необходимо отметить, что существуют растворители полярные (вода) и неполярные (бензол). Полярные вещества (например соли минеральных кислот) как правило лучше растворяются в полярных растворителях, неполярные (к примеру гексан, толуол) – в неполярных.

2. На растворимость твердых веществ давление существенно не влияет. Однако растворимость газа напрямую зависит от давления. Согласно закону Генри, растворимость газа прямо пропорциональна давлению газа над жидкостью: [4]:

   c = kp, или с ~ p , где

   c — молярная концентрация растворенного газа в объеме раствора (моль/литр); p — давление газа над жидкостью (Па); k — константа растворимости газа. Данная константа может зависеть от других факторов, таких как например температура, но не зависит от давления газа над раствором, объема раствора и количества вещества растворенного или растворяемого газа.

   В дифференциальной форме уравнение закона Генри выглядит следующим образом:

   dc = kdp

3. Температурный фактор. Для большинства твердых веществ растворимость увеличивается с ростом температуры. Исключение могут составить некоторые кристаллогидраты, так как растворение самих кристаллогидратов сопровождается поглощением тепла (эндотермический процесс), но после “освобождения” молекул соли от молекул воды в кристаллогидрате безводные молекулы при гидратации (сольватации) сами могут выделять тепло (экзотермический процесс), тем самым нагревание может тормозить процесс растворения. Яркий тому пример – процесс растворения в воде глауберовой соли Na₂SO₄·10H₂O. Существуют и другие исключения из этого правила. Наша цель – вывести эту зависимость, описав ее математически.

   На растворимости газов в воде повышение температуры сказывается негативно. При повышении температуры растворимость газа резко падает. При кипячении из воды выходит весь газ.

Стоит также отметить, что согласно работе [3] на растворение добавок в полиэтилене влияет наличие других добавок – продуктов окисления полиэтилена. То есть на растворимость вещества в растворителе могут влиять и другие примеси. Стоит отметить, что полиэтилен не жидкость, и не твердое кристаллическое вещество, а аморфное. Поэтому его раствор в таком случае сложно назвать жидким или твердым.

Здесь также необходимо отметить, что если речь идет о коллоидном растворе, а не об истинном растворе, то добавление особых примесей – коагулянтов, влечет к выпадению в осадок дисперсной фазы из дисперсной среды – процессу коагуляции [1]. Таким образом, примеси могут влиять на растворимость как положительно, так и отрицательно.

Вывод уравнения(-ий) зависимости растворимости твердых веществ в жидких растворителях от температуры.

Итак, выведем зависимость или зависимости растворимости твердых веществ от температуры. Мы уже знаем, что на растворимость твердых веществ в жидкостях влияет температура. Рассмотрим график из учебного пособия [4].

Как видно из графика, зависимость растворимости нитрата свинца от температуры практически линейная. Так при 20 °С в 100 г воды растворяется около 50 г нитрата свинца. При 40 °С около 70 г, а при 60 °С чуть менее 90 г. Данная зависимость практически линейна:

m = kt + const, при t > 0, где:

m — масса растворяемого вещества, k — коэффициент пропорциональности, t — температура (в градусах Цельсия), const — константа, масса растворяемого вещества, способная раствориться в 100 грамм воды при 0 °С.

Из уравнения мы можем определить коэффициент k, определив его, мы можем выяснить, верно ли предположение о том, что зависимость практически линейная. Кроме того мы сможем оценочно определить массу растворяемого вещества при любой температуре.

m = kt + const

kt = m — const

k = (m — const)/t

Исходя из данных графика видно, что const приблизительно равно 30, при температуре 20 °С масса растворенного в воде нитрата свинца равна примерно 50 г, тогда константа k:

k = (m — const)/t ≈ (50 — 30)/20 ≈ 1

Теперь определим, сколько граммов нитрата свинца может раствориться при температуре 40 °С:

m ≈ kt + const ≈ 1×40 + 30 ≈ 70 г

И действительно, в соответствии с графиком в 100 г воды при температуре 40 °С растворяется около 70 г нитрата свинца. Таким образом, зависимость верна.

Похожая картина и с хлоридом натрия, так как его график так же похож на «прямую».

У нитрата калия график более похож на ветвь параболы:

m = kt² + const, при t > 0.

Причем const ≈ 15 (приблизительно), а t > 0.

Рассчитаем коэффициент k. При температуре 20 °С в 100 г воды растворяется примерно 30 г нитрата калия:

m = kt² + const

kt² = m — const

k = (m — const)/t² ≈ (30 — 15)/20² ≈ 0,0375

Теперь рассчитаем сколько граммов нитрата может раствориться в 100 г воды при температуре 40 °С, после чего сверим с графиком:

m = kt² + const = 0,0375×40² + 15 ≈ 75 г

На графике видим, что при 40 °С в 100 г воды растворяется 70-75 г нитрата калия. Таким образом, предположение о правильности зависимости растворения практически верно.

Также очевидно, что размерность коэффициента может различной, для разных графиков. В случае нитрата свинца или хлорида натрия:

k = 1 грамм/°С

В случае же нитрата калия:

k = 1 грамм/°С²

Конечно, для вывода общей закономерности это недостаточно. К примеру, бихромат калия и хлорид ртути на данном графике представляют собой более сложные функции. Поэтому, наиболее обобщенно можно сказать, что:

dm = kdt, при t > 0

То есть, растворимость твердого вещества прямо пропорциональна температуре. Или, дифференциал массы растворяемого вещества есть ничто иное как, произведение коэффициента пропорциональности на дифференциал температуры. Важно учесть, что температура всегда положительная (по Цельсию): t > 0.

Если мы проинтегрируем левую и правую часть выражения dm = kdt, мы получим:

m = kt + const

Мы пришли к примеру, аналогичному зависимости растворимости нитрата свинца. Однако в случае, например с хлоридом ртути, выражение типа m = kt + const будет справедливо только при небольшом интервале температур, к примеру от 20 °С до 40 °С. Для выражения зависимости растворимости хлорида ртути на всех температурных интервалах правильнее будет использовать выражение типа dm = kdt. Само собой разумеется, что речь идет о температурах выше нуля по Цельсию.

Если речь идет не о массе растворенного вещества, а о его молярной концентрации, то уравнение dm = kdt примет вид:

dc = kdt, где:

с — молярная концентрация растворенного вещества (моль/литр). Коэффициент в таком случае будет иметь размерность

k = 1 моль/(литр×°С)

Все остальные операции с молярной концентрацией c аналогичны операциям с массой m, как в уравнениях выше.

Таким образом, зависимость растворимости твердых веществ в воде и в других жидких растворителях прямо пропорциональна температуре (в большинстве случаев), и в общем случае может описываться уравнениями:

dm = kdt

Или

dc = kdt

Литература:

1. Балезин С. А. Основы физической и коллоидной химии / С. А. Балезин, Б. В. Ерофеев, Н. И. Подобаев – М.: Просвещение, 1975. – 398 с.

2. Болдырев А. И. Физическая и коллоидная химия / А. И. Болдырев – М.: Высшая Школа, 1974. – 504 с.

3. Монахова Т. В. Растворимость добавок в полиэтилене и алифатических полиамидах/ Т. В. Монахова, А. П. Марьин, Ю. А. Шляпников // Высокомолекулярные соединения – 1991. – № 11. – С.1306-1310

4. Стась Н.Ф. Химия растворов / Н.Ф. Стась, Л.Д. Свинцова – Томск: Издательство ТПУ, 2006. – 155 с.

5. Телесин Р. В. Молекулярная физика / Р. В. Телесин – М.: Высшая школа, 1965. – 360 с.

Автор статьи: Кошелев Георгий Геннадьевич, учитель химии и физики г.о.г. Выкса.

Редактор статьи: Доронин Дмитрий Олегович, учитель физики, информатики и астрономии г.о.г. Выкса.

По всем вопросам, в том числе вопросам сотрудничества, писать сюда: diomidius89@gmail.com