8 класс Химия Важнейшие представители неорганических веществ Растворы

Растворы и массовая доля вещества

Содержание

Рассмотрим, из каких компонентов состоят растворы и что происходит при растворении. Затем научимся выражать состав раствора массовой долей и находить массу растворенного вещества.

Компоненты раствора

Определение

Растворы — это гомогенные системы, состоящие из растворителя, растворенного вещества и продуктов их взаимодействия.

Гомогенная означает однородная: отдельные компоненты раствора не различимы при обычном рассматривании. Растворитель — среда, в которой распределяется растворенное вещество. В рассматриваемых водных растворах растворителем служит вода, а в спиртовом растворе йода — этиловый спирт.

Растворяемое вещество исходно может быть твердым, жидким или газообразным. Например, йод $I_2$ — твердое вещество, чистый пероксид водорода $H_2O_2$ — жидкость, аммиак $NH_3$ — газ. После растворения все три примера представляют однородные жидкие растворы.

Не определяйте растворитель только по названию препарата. В приведенных примерах растворителя больше, чем растворенного вещества, но роли компонентов нужно устанавливать по составу конкретного раствора.

{"questions":[{"instruction":"Йод растворен в этиловом спирте. Что здесь является растворителем?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Йод","Этиловый спирт","Смесь целиком"],"answer":[1]}},"explanation":"Растворителем служит среда, в которой распределяется йод. По условию это этиловый спирт; йод является растворенным веществом.","hints":["Разделите название смеси и названия ее компонентов.","Найдите компонент, в котором растворено другое вещество."]},{"instruction":"Аммиак растворен в воде. Выберите правильное соответствие","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Растворитель — вода, растворенное вещество — аммиак","Растворитель — аммиак, растворенное вещество — вода","Растворитель — раствор целиком, растворенное вещество — вода"],"answer":[0]}},"explanation":"В данном водном растворе аммиак распределяется в воде. Поэтому вода — растворитель, аммиак — растворенное вещество.","hints":["Опирайтесь на описанный состав, а не на бытовое название.","Слово «раствор» обозначает всю систему, а не отдельный компонент."]},{"instruction":"Для получения водного раствора взяли чистый пероксид водорода. В каком состоянии исходно находилось растворяемое вещество?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В газообразном","В твердом","В жидком"],"answer":[2]}},"explanation":"Чистый пероксид водорода — жидкость. Растворять можно не только твердые вещества: растворяемый компонент может исходно быть и жидкостью, и газом.","hints":["Вспомните три рассмотренных примера исходных веществ.","Не смешивайте состояние растворяемого вещества с ролью растворителя."]}],"mix":1}

Процесс растворения

При растворении частицы вещества распределяются между частицами растворителя. Одновременно между ними возникают взаимодействия. Поэтому растворение рассматривают как физико-химический процесс: в нем сочетаются физическая и химическая стороны.

Взаимодействие частиц растворенного вещества с водой описывают образованием гидратов, а с другими растворителями — сольватов. В растворе такие объединения частиц не имеют одного постоянного состава. Это помогает понять, почему раствор не сводится к простому перемешиванию двух изолированных веществ.

Растворение может сопровождаться изменением окраски и тепловым эффектом. Например, при добавлении воды к белому безводному сульфату меди(II) $CuSO_4$ образуется голубой раствор. При растворении гидроксида натрия $NaOH$ выделяется теплота, а при растворении нитрата калия $KNO_3$ теплота поглощается.

В первом тепловом примере температура раствора повышается, во втором — понижается. Такие наблюдения связывают с процессом растворения конкретного вещества; одно изменение температуры не сообщает само по себе состав полученной системы.

{"questions":[{"instruction":"Почему растворение рассматривают как физико-химический процесс?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Происходит только измельчение без распределения частиц.","Частицы распределяются и взаимодействуют с растворителем.","Происходит только изменение формы исходного сосуда."],"answer":[1]}},"explanation":"Растворение включает распределение частиц и их взаимодействие с растворителем. Эти стороны процесса рассматривают вместе.","hints":["Вспомните обе стороны объяснения растворения.","Выберите описание, в котором учтено и распределение, и взаимодействие частиц."]},{"instruction":"При растворении $NaOH$ температура системы повысилась. Какой тепловой эффект соответствует этому наблюдению?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Выделение теплоты","Отсутствие теплового эффекта","Поглощение теплоты"],"answer":[0]}},"explanation":"Растворение гидроксида натрия сопровождается выделением теплоты, поэтому наблюдают нагревание.","hints":["Сопоставьте направление изменения температуры с разобранным примером.","Выберите тепловой эффект, который сопровождается нагреванием системы."]},{"instruction":"При растворении $KNO_3$ температура системы понизилась. Как объяснить наблюдение?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Система выделяла теплоту.","Теплота в процессе не участвовала.","При растворении теплота поглощалась."],"answer":[2]}},"explanation":"Растворение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты. В рассматриваемом опыте это проявляется охлаждением системы.","hints":["Вспомните тепловой эффект растворения нитрата калия.","Охлаждение не следует приравнивать к отсутствию теплового эффекта."]}],"mix":1}

Масса раствора

Для количественного описания состава нужны массы. Если вещество полностью растворилось и потерь нет, масса полученного раствора равна сумме масс взятого вещества и растворителя:

$$m(\text{раствора})=m(\text{вещества})+m(\text{растворителя})$$

Например, при полном растворении $5\,\text{г}$ соли в $95\,\text{г}$ воды получаем $100\,\text{г}$ раствора. Масса соли — часть массы раствора; масса воды — другая часть.

{"questions":[{"instruction":"В $72\\,\\text{г}$ воды полностью растворили $8\\,\\text{г}$ соли без потерь. Найдите массу раствора.","content":"[[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":"80","unit":"$\\text{г}$"}},"explanation":"Масса раствора равна сумме масс соли и воды: $m=8+72=80\\,\\text{г}$.","hints":["В состав полученного раствора вошли оба исходных компонента.","Сложите их массы, поскольку потерь нет."],"calc":1},{"instruction":"В $85\\,\\text{г}$ воды полностью растворили $15\\,\\text{г}$ соли. Какая масса характеризует весь раствор?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$15\\,\\text{г}$","$100\\,\\text{г}$","$85\\,\\text{г}$"],"answer":[1]}},"explanation":"Весь раствор содержит и соль, и воду. Его масса $15+85=100\\,\\text{г}$; $85\\,\\text{г}$ — масса только воды.","hints":["Отделите массу одного компонента от массы всей системы.","Учитывайте и растворитель, и растворенное вещество."],"calc":1}],"mix":1}

Массовая доля

Определение

Массовой долей растворенного вещества в растворе называют отношение массы растворенного вещества к массе раствора.

Массовую долю обозначают $w$. Она показывает, какая часть массы всего раствора приходится на данное вещество:

$$w=\frac{m(\text{вещества})}{m(\text{раствора})}$$

В примере с $5\,\text{г}$ соли и $95\,\text{г}$ воды получаем $w=5/100=0{,}05$. Долю можно записать в процентах: $0{,}05=5\%$. Это означает, что в каждых $100\,\text{г}$ такого раствора содержится $5\,\text{г}$ соли.

Для процентной записи отношение масс умножают на $100\%$:

$$w=\frac{m(\text{вещества})}{m(\text{раствора})}\cdot100\%$$

В знаменателе находится масса всего раствора. Если разделить массу соли только на массу воды, получится другое отношение.

Записи $5\%$ и $0{,}05$ равны между собой и показывают долю, а число $5$ без знака процента — это целое число, которое в 100 раз больше этой доли.

Если масса раствора заранее не дана, сначала найдем ее. Например, в $36\,\text{г}$ воды полностью растворили $4\,\text{г}$ соли без потерь:

Находим массу раствора: $m(\text{раствора})=4+36=40\,\text{г}$.
Делим массу соли на массу раствора: $w=4/40=0{,}1$.
Выражаем результат в процентах: $w=10\%$.

solution-mass-fraction

{"questions":[{"instruction":"Что означает массовая доля соли $10\\%$?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["В $100\\,\\text{г}$ воды содержится $10\\,\\text{г}$ соли.","В $10\\,\\text{г}$ раствора содержится $100\\,\\text{г}$ соли.","В $100\\,\\text{г}$ раствора содержится $10\\,\\text{г}$ соли."],"answer":[2]}},"explanation":"Массовая доля сравнивает массу соли с массой всего раствора. Поэтому $10\\%$ соответствуют $10\\,\\text{г}$ соли в $100\\,\\text{г}$ раствора.","hints":["Найдите в определении величину, которая является целым.","Не подменяйте массу раствора массой воды."]},{"instruction":"Какая долевая запись соответствует $7{,}5\\%$?","content":"[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$0{,}075$","$0{,}75$","$7{,}5$"],"answer":[0]}},"explanation":"Процент означает сотую часть. Поэтому $7{,}5\\%=7{,}5/100=0{,}075$.","hints":["Чтобы перейти от процентов к доле, разделите число на сто.","Знак процента после перехода к долевой записи не сохраняется."],"calc":1},{"instruction":"В $94\\,\\text{г}$ воды полностью растворили $6\\,\\text{г}$ соли без потерь. Найдите массовую долю соли в процентах.","content":"[[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":"6","unit":"$\\%$"}},"explanation":"Масса раствора $6+94=100\\,\\text{г}$. Тогда $w=6/100\\cdot100\\%=6\\%$.","hints":["Сначала найдите массу всего раствора.","Разделите массу соли на найденную массу раствора и выразите долю в процентах."],"calc":1},{"instruction":"В $108\\,\\text{г}$ воды полностью растворили $12\\,\\text{г}$ соли без потерь. Найдите массовую долю соли в процентах.","content":"[[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":"10","unit":"$\\%$"}},"explanation":"Масса раствора $12+108=120\\,\\text{г}$. Поэтому $w=12/120\\cdot100\\%=10\\%$.","hints":["В знаменатель нужно подставить сумму масс компонентов.","После деления массы соли на массу раствора переведите долю в проценты."],"calc":1}],"mix":1}

Масса растворенного вещества

Если известны масса раствора и массовая доля, можно найти массу вещества. Умножаем массу раствора на долю, записанную без знака процента:

$$m(\text{вещества})=w\cdot m(\text{раствора})$$

Найдем массу уксусной кислоты в $150\,\text{г}$ столового уксуса с массовой долей кислоты $3{,}5\%$.

Запишем массу раствора: $m(\text{раствора})=150\,\text{г}$.
Переведем процентную запись в долевую: $w=3{,}5\%=0{,}035$.
Найдем массу кислоты: $m(\text{кислоты})=150\cdot0{,}035=5{,}25\,\text{г}$.
Запишем ответ: в растворе содержится $5{,}25\,\text{г}$ уксусной кислоты.

Если требуется масса растворителя в двухкомпонентном растворе, вычитаем массу растворенного вещества из массы всего раствора. Например, в $100\,\text{г}$ раствора с $5\,\text{г}$ соли находится $100-5=95\,\text{г}$ воды.

{"questions":[{"instruction":"Масса раствора равна $250\\,\\text{г}$, массовая доля соли — $6\\%$. Найдите массу соли.","content":"[[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":"15","unit":"$\\text{г}$"}},"explanation":"Доля соли $w=0{,}06$. Масса соли равна $250\\cdot0{,}06=15\\,\\text{г}$.","hints":["Переведите процентную запись в долевую.","Умножьте массу всего раствора на долю соли."],"calc":1},{"instruction":"В $120\\,\\text{г}$ раствора массовая доля вещества составляет $2{,}5\\%$. Найдите массу этого вещества.","content":"[[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":"3","unit":"$\\text{г}$"}},"explanation":"Доля вещества $w=0{,}025$, поэтому его масса $120\\cdot0{,}025=3\\,\\text{г}$.","hints":["Не подставляйте число процентов как долю без перевода.","После перевода умножьте долю на массу раствора."],"calc":1},{"instruction":"Раствор массой $180\\,\\text{г}$ состоит из соли и воды. Массовая доля соли $5\\%$. Найдите массы обоих компонентов.","content":"Масса соли: [[input-1]] $\\text{г}$. Масса воды: [[input-2]] $\\text{г}$.","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":"9"},"input-2":{"type":"input","inline":1,"answer":"171"}},"explanation":"Масса соли равна $180\\cdot0{,}05=9\\,\\text{г}$. Вода составляет оставшуюся массу: $180-9=171\\,\\text{г}$.","hints":["Сначала найдите массу соли по ее доле.","Затем вычтите массу соли из массы раствора."],"calc":1}],"mix":1}

Задание

В $180\,\text{г}$ воды полностью растворили $20\,\text{г}$ соли без потерь. Ученик разделил $20$ на $180$ и получил массовую долю около $11{,}1\%$. Объясните ошибку и найдите правильную долю.

Показать ответ

Скрыть

Ученик сравнил массу соли с массой воды, а нужно с массой раствора. Масса раствора равна $20+180=200\,\text{г}$. Правильная массовая доля: $w=20/200\cdot100\%=10\%$.

Итоги

Раствор включает растворитель, растворенное вещество и продукты их взаимодействия; растворяемый компонент исходно может быть твердым, жидким или газообразным.
Растворение — физико-химический процесс, который может сопровождаться выделением или поглощением теплоты.
При полном растворении без потерь масса раствора равна сумме масс взятых компонентов.
Массовая доля сравнивает массу растворенного вещества с массой всего раствора.
Для нахождения массы вещества массу раствора умножают на долю, переведенную из процентов в долевую запись.

Часто задаваемые вопросы

Может ли газ быть растворенным веществом?

Да. Например, в водном растворе аммиака растворитель — вода, а растворенное вещество исходно было газообразным.

Чем гидраты отличаются от сольватов?

При описании взаимодействия с водой используют название «гидраты». Если растворитель другой, говорят о сольватах. В растворе их состав может меняться.

Почему нельзя делить массу соли только на массу воды?

Массовая доля показывает часть массы всего раствора. В массу раствора входят и вода, и соль, поэтому в знаменателе нужна их суммарная масса.

Нужно ли делить процент на сто перед расчетом массы вещества?

Да. Например, $6\%=0{,}06$, поэтому массу раствора умножают на $0{,}06$, а не на $6$.

Награды за урок