Как приготовить пересыщенный раствор соли

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29, 30/2003

§ 6.1. Растворы, концентрация, растворимость

Существуют вещества с неограниченной способностью растворяться друг в друге (например, серная кислота и вода или этиловый спирт и вода) и с ограниченной способностью. Для количественной характеристики одного вещества ограниченно растворяться в другом пользуются понятием растворимость, которая выражается концентрацией насыщенного раствора.
Насыщенный раствор получается, когда дальнейшее растворение данного компонента в растворе прекращается. В насыщенном растворе концентрация данного компонента максимальна при данных условиях. Насыщенный раствор всегда должен находиться в равновесии с кристаллическим компонентом (осадком). Концентрация этого компонента в растворе называется его растворимостью. Раствор, в котором концентрация этого компонента ниже его растворимости, называется ненасыщенным.
Раствор, в котором концентрация растворенного вещества выше его растворимости, называется пересыщенным. Такие растворы обычно получают при переохлаждении раствора ниже температуры, при которой он становится насыщенным.

Иногда говорят о растворении металлов, например натрия в воде или цинка в серной кислоте. Но мы будем называть растворением только такой процесс, при котором растворенное вещество можно выделить из раствора в его исходном состоянии такими простыми операциями, как выпаривание растворителя, перекристаллизация и т. п.

Растворимость удобно выражать в моль/л, однако часто ее выражают в процентах по массе, т. е. числом граммов растворенного вещества в 100 г насыщенного раствора. Иногда растворимость выражают числом граммов растворенного вещества, приходящихся на 100 г растворителя.

Пример. Растворимость хлорида натрия (поваренная соль) NaCl в воде при обычной температуре (20 °С) составляет 31,6 г в 100 г воды. Рассчитать содержание соли в 10 г насыщенного раствора хлорида натрия. (Обратите внимание: «в насыщенном растворе», а не «на 100 г воды»! Растворимость выражается массой соли, которая может быть растворена в 100 г воды с образованием насыщенного раствора.)

Решение
Определим массу воды в 10 г насыщенного раствора NaCl. Примем массу хлорида натрия в этом растворе за х г, тогда масса воды будет равна (10 – х) г.
Составим соотношение:

Отсюда 100/(10 – х) = 31,6/х, и х = 2,4 г хлорида натрия. Масса воды в этом растворе: 10 – 2,4 = 7,6 г.

Для большинства веществ растворимость значительно зависит от температуры. Для определения растворимости при разных температурах используют справочные таблицы или кривые растворимости (рис. 6.1).
Если приготовить насыщенный раствор при температуре t₂, содержащий m₂ г вещества на 100 г воды, а затем охладить до температуры t₁, при которой растворимость составляет m₁ г, то выпадет осадок (при условии, что не произошло переохлаждения и не образовался пересыщенный раствор) массой (m₂ – m₁) г.

Сколько граммов нитрата калия выпадет в осадок при охлаждении насыщенного при температуре 60 °С раствора нитрата калия в воде до температуры 20 °С (см. рис. 6.1.)?

Проще всего растворимость достаточно растворимых веществ определяется выпариванием определенного количества раствора и взвешиванием массы сухого остатка.

Пример. Рассчитать растворимость нитрата калия в воде при обычной температуре (20 °С), если при выпаривании 50 г насыщенного раствора масса сухой соли оказалась равной 13,02 г.

Решение
Масса нитрата калия в 100 г раствора равна 13,02•100/50 = 26,04 г. Эта масса нитрата калия приходится на 100 – 26,04 = 73,96 г воды в насыщенном растворе. Составляем соотношение:

Откуда х = 26,04•100/73,96 = 35,2 г. Это и есть растворимость, т. е. масса растворенного вещества в насыщенном растворе, приходящаяся на 100 г воды.

На различной растворимости веществ основан один из способов их очистки – перекристаллизация. Очистка сводится к растворению загрязненного вещества в подходящем растворителе при повышенной температуре и последующему выделению кристаллов очищаемого вещества из пересыщенного раствора при более низкой температуре.

Посмотрите на рис. 6.1. Какие вещества можно очищать перекристаллизацией? Можно ли этим приемом очистить хлорид натрия?

Рис. 6.1.
Кривые растворимости веществ
в воде при различных температурах

Насыщенный раствор, который остается после отделения выпавших кристаллов, называется маточным. Некоторое количество примесей может удалиться с осадком. При повторной перекристаллизации чистота вещества повышается.
Растворимость вещества, по существу, есть константа равновесия гетерогенного процесса перехода вещества из кристаллической фазы в раствор. В связи с этим по значениям растворимости при двух температурах легко рассчитать изменения энтальпии (тепловой эффект) и энтропии при растворении.
Пусть при температуре Т₂ растворимость вещества равна Р₂, а при температуре Т₁ растворимость равна Р₁. Составляем систему из двух уравнений c двумя неизвестными (Н и S):

Затем вычисляем Н и S.

Пример. Растворимость хлорида серебра в воде при температуре 10 °С равна 6,083•10 –6 моль/л,
а при 25 °С – 1,249•10 –5 моль/л. Рассчитать изменение энтальпии и энтропии при растворении хлорида серебра:

Решение
Составляем систему из двух уравнений:

Находим из первого уравнения:

Н_раств = 27 997,048 + 298,2•S_раств,

и подставляем во второе уравнение:

28 282,968 = 27 997,048 + 298,2•S_раств – 283,2•S_раств.

Определяем S_раств:

15S_раств = 285,920;

S_раств = 19,06 Дж/(К•моль).

Итак, мы получили положительное значение изменения энтропии при растворении хлорида серебра, показывающее, что при переходе хлорида серебра из кристаллического состояния в раствор (в виде ионов серебра и хлорид-ионов) происходит увеличение степени беспорядка в системе.
Находим изменение энтальпии, подставив значение S_раств = 19,06 Дж/(К•моль) в одно из уравнений, например:

Н_раств = 27 997,048 + 298,2•19,06 = 33 681 Дж/моль.

При растворении хлорида серебра в воде поглощается 33,68 кДж теплоты на 1 моль этого вещества.

Химический состав природных вод играет огромное значение в жизни человека. Для приготовления различных напитков
необходима вода, имеющая строго определенные содержания растворенных веществ.
Абсолютно нерастворимых веществ в природе не существует. Даже самая чистая на Земле вода озера Байкал содержит соли, которые вымываются из горных пород и почв втекающими в озеро реками. Дождь и вода растаявшего снега – не совершенно чистая вода, а вода, содержащая 10–20 мг растворенных веществ на 1000 г воды. Тем не менее такую воду вполне можно использовать в технических целях, когда требуется дистиллированная вода, например для приготовления раствора серной кислоты для автомобильного аккумулятора.
Если воду некоторое время выдержать в серебряном сосуде, в воде погибают почти полностью бактерии. Металлическое серебро растворяется в воде, а ионы серебра обладают сильным бактерицидным действием. В походных условиях полезно пить воду из серебряного (посеребренного) стакана. Использование серебряных столовых приборов при еде также очень полезно. Обеззараживает воду и хлорид серебра, хотя он практически нерастворим в воде. Такими растворами можно обрабатывать небольшие раны.
Природные воды отличаются составом и количеством растворенных веществ.
Концентрация органических веществ в речной воде составляет около 20 мг/л, в океанической – около 4 мг/л.

Перечислите источники органических веществ в природных водах.

Самая низкоминерализованная вода в мире – это вода озера Байкал, т. к. общее содержание неорганических солей в озере не превышает 100 мг/л.

Ни в коем случае не пытайтесь запомнить числовые данные, которые будут приводиться ниже. Постарайтесь сравнить состав некоторых вод.

Химический состав воды озера Байкал (мг/л):

Вода озера Байкал по вкусу похожа на дистиллированную. Обратите внимание, как мало хлорид-ионов, ионов железа в этой воде! Попытайтесь объяснить, почему в байкальской воде довольно много гидрокарбонат-ионов и ионов кальция.

Япония не раз предлагала покупать байкальскую воду и построить для этого трубопровод.
Некоторые сведения об озере Байкал. Возраст Байкала примерно 25 млн лет. Байкал – самый глубокий водоем на земном шаре, расположенный на континенте. Максимальная глубина – Объем озера – 23 000 км 3 . Воды Байкала прозрачны до 40 м. В Байкале содержится 1/5 мировых запасов пресной воды.

Озера, содержащие неорганические соли в количестве выше 35 г/л, относятся к минеральным. Насыщенный раствор этих озер называется рапой. Из-за повышенной вязкости высокоминерализованных вод распространение тепла от поверхности в глубь воды затруднено, поэтому летом верхний слой воды может нагреваться до температуры 50 °С, зимой вода может не замерзать даже при –20 °С.
Озеру Байкал можно противопоставить другое всемирно известное озеро – Мертвое море (Израиль, Иордания) недалеко от Иерусалима. В составе солей преобладают хлорид магния (52%) и хлорид натрия (30%), присутствуют также хлорид калия и бромид магния. Конечно, все эти вещества в водном растворе находятся в виде ионов, но когда говорят «хлорид магния», «хлорид натрия» и другие соли, то имеют в виду соли, образующиеся при выпаривании воды. Из-за высокой минерализации в водах Мертвого моря отсутствуют живые организмы, кроме некоторых бактерий (сохранившихся с древних эпох). Вода Мертвого моря и грязи побережья обладают высокими лечебными свойствами. Воздух моря насыщен парами брома и йода.

Вода Мертвого моря густая и маслянистая, как подсолнечное масло. Ходить по его дну без специальной обуви невозможно, т. к. оно усеяно острыми кристаллами солей. Вода выталкивает человека, поэтому плавать на животе следует очень осторожно – выталкивающая сила воды столь велика, что переворачивает человека, и из-за этого можно сломать позвоночник. На берегу недавно были построены всемирно известные курортные городки и усиленно строят новые. Говорят, что, работая ногами, человек плывет не вперед, а назад. Чтобы приготовить дома ванну с водой, состав которой близок к составу воды Мертвого моря, нужно в ванну бросить три мешка соли, залить водой и перемешать (говорят, что это невозможно).
Мертвое море расположено почти на 400 м ниже уровня моря. Глубина озера достигает 356 м. Питание озера осуществляется водами реки Иордан и несколькими другими мелкими речками. Окрестности озера известны тем, что в 1947 г. в пещерах пустынной местности Кумран на западном побережье Мертвого моря юноша кочевого племени бедуинов при поиске сбежавшей козы нашел глиняные сосуды с кожаными свитками древних рукописей, описывающих историческую обстановку (2000 лет назад) возникновения христианства. Эти рукописи названы кумранскими по месту их находки.

Представьте себе, что вы работаете в курортном агентстве. Вам требуется знать, на каких курортах лечат те или иные болезни. Это касается состава минеральных вод. Что вы скажете желающему поехать в Пятигорск или Кисловодск? Или, может быть, лучше далеко не ездить, а попить «московскую» минеральную воду?

Состав «московской» минеральной воды (г/л):

Сравните состав «московской» минеральной воды с составом воды озера Байкал. Для этого найдите одинаковые ионы и выразите их концентрации в одних и тех же единицах измерения.

Кисловодск славится своими источниками нарзана. Ниже приведен химический состав нарзана (г/л) одного из источников Кисловодска:

Каково отличие воды «Нарзан» от «московской» минеральной?

Источник

Как приготовить пересыщенный раствор соли

Вылейте кристаллы сахара в воду и размешайте, и сахар растворится. Продолжайте наливать и перемешивать, и в определенный момент больше не будет растворяться, и кристаллы упадут на дно стакана. В этот момент решение называется насыщенным. Но подождите — вы можете заставить больше кристаллов сахара растворяться, нагревая воду. Когда вы достигли точки насыщения, и больше сахара растворяется, вы получаете перенасыщенный раствор. Вы можете сделать это с солью, сахаром, кристаллами ацетата натрия и всем остальным, что растворяется в воде. На самом деле, вам даже не нужна вода для создания пересыщенного раствора. Вы можете сделать это с помощью спирта, растворителя или любого другого растворителя. Однако проще всего делать это с водой, потому что вода — лучший растворитель в мире.

Что такое насыщенный раствор?

Вода является одним из самых интересных и важных химических соединений, которые есть. Каждая молекула воды состоит из двух положительно заряженных атомов водорода и отрицательно заряженного атома кислорода. Атомы водорода располагаются на гораздо большем атоме кислорода, чтобы создать чистую полярность от одной стороны молекулы к другой. Из-за этого молекулы воды образуют связи друг с другом в процессе, называемом водородной связью.

Когда вы вводите растворенное вещество, такое как сахар или соль, молекулы воды притягиваются к растворенным атомам и молекулам сильнее, чем они притягиваются друг к другу. Они окружают молекулы растворенного вещества, и, поскольку они делают, растворенное вещество постепенно распадается. Составляющие его атомы и молекулы уходят, каждый из которых окружен молекулами воды, и растворенное вещество растворяется. Если вы продолжаете помешивать в большем количестве растворенного вещества, у вас, в конце концов, кончаются молекулы воды, чтобы выполнить эту работу, и в этот момент раствор насыщается.

Как сделать пересыщенный раствор

Способ сделать пересыщенный раствор состоит в том, чтобы добавить тепло, но небольшое нагревание не справится с работой. Вы должны нагреть воду близко к точке кипения. Когда вода становится такой горячей, молекулы воды имеют больше свободы для перемещения, и между ними появляется больше места для растворенных молекул. Вы можете продолжать помешивать в соли, сахаре или любом другом растворенном веществе, и оно будет продолжать растворяться, даже если точка насыщения достигнута. Уберите тепло и дайте раствору постепенно остыть, и раствор останется растворенным, по крайней мере, на некоторое время. По сути, это перенасыщенное определение. Пересыщенный раствор крайне нестабилен, и могут происходить странные вещи.

Горячий лед, горная леденец и кристаллическая формация

Вы когда-нибудь слышали о горячем льде? Его получают из пересыщенного раствора воды и кристаллов ацетата натрия. Когда вы вводите один кристалл ацетата натрия в такой раствор, это как триггер, который инициирует внезапную реакцию, в результате которой весь избыток ацетата натрия в растворе быстро кристаллизуется. Это экзотермический процесс, при котором выделяется тепло, поэтому в процессе реакции образуются ледяные кристаллы, но также выделяется тепло, отсюда и название горячий лед. Чтобы увидеть драматическую демонстрацию образования кристаллов, медленно наливайте перенасыщенный раствор в несколько нерастворенных кристаллов. Кристаллизация происходит так быстро, что кристаллическая башня образуется, когда вы льете.

Аналогичный процесс происходит, когда вы нагреваете воду до температуры кипения, добавляете сахар, дайте раствору остыть и суспендируете в растворе нитку. Сахар постепенно слипается в нити и образует большой кристалл, который вы можете наслаждаться как леденец. Слово для мудрых: наслаждайтесь леденцами в умеренных количествах и обязательно почистите зубы. Сахар способствует образованию полостей.

Источник