§ 13. Густина розчину. Залежність між густиною розчину та його складом

Густина — це фізична величина, яку визначають для однорідної суміші як відношення її маси до одиниці об’єму.

Густину розчину виражають у г/мл.

Під час розчинення у воді будь-яких речовин густина утвореного розчину відрізняється від густини води — вона або зменшується, або збільшується. Наприклад, у разі розчинення у воді спирту густина розчину зі збільшенням його масової частки зменшується навіть до 0,79 г/мл, тобто до густини безводного спирту, а зі збільшенням вмісту сульфатної кислоти в розчині його густина зростає до 1,84 г/мл — густини безводної сульфатної кислоти (табл. 4). Залежність між густиною розчину та концентрацією тієї чи іншої речовини можна знайти в довідковій літературі.

Залежність між масовою часткою розчиненої сульфатної кислоти й густиною розчину

Для визначення густини розчинів користуються ареометрами (рис. 18). Значення густини отриманого розчину звіряють з табличними даними.

Рис. 18. Визначення густини розчину за допомогою ареометра: а — ареометр у воді; б — ареометр у розчині сульфатної кислоти; в — положення ока спостерігача

Принцип дії ареометра ґрунтується на витискуванні рідиною твердого тіла певної маси (за законом Архімеда). Ареометр являє собою скляний поплавок з вантажем у нижній частині та поділками шкали у верхній (вузькій) частині. Густину оцінюють за поділкою, яка відповідає рівню рідини.

Демонстраційний дослід

Приготування розчину солі певного складу

Приготуємо 300 г розчину натрій нітрату з масовою часткою 10 %. Спочатку обчислюють кількість потрібної солі та води (приклад 4 у § 10). Далі зважують обчислену масу солі на технохімічних терезах (на годинниковому склі). Відміряють необхідний об’єм, тобто масу, води мірним циліндром. Переносять сіль у стакан ємністю 500 мл. Потім обмивають туди ж годинникове скло водою з мірного циліндра та переливають у стакан залишки води. Розмішують розчин скляною паличкою та знову переливають у мірний циліндр. Занурюють у нього ареометр і вимірюють густину приготованого розчину: вона має дорівнювати 1,067 г/мл.

Обчислення, пов’язані з виявленням залежності між густиною розчину і масовою часткою або молярною концентрацією розчиненої речовини

Приклади розв’язування задач

Приклад 1. Обчисліть молярну концентрацію калій йодиду в розчині, масова частка KI у якому становить 40 %, а густина — 1,395 г/мл.

Приклад 2. Обчисліть масову частку натрій гідроксиду в розчині, в якому молярна концентрація лугу дорівнює 5,5 моль/л, а густина — 1,2 г/мл.

Приклад 3. Якою є молярна концентрація нітратної кислоти в розчині, густина якого 1,31 г/мл, а масова частка 40 %?

Основні поняття. Густина розчину. Ареометр.

Запитання та завдання

• °1. Як розчинена речовина може впливати на густину розчину?
• °2. За допомогою якого приладу можна виміряти густину розчину? На чому ґрунтується принцип його дії?
• 3. Як можна приготувати розчин із заданою масовою часткою розчиненої речовини? Поясніть на прикладі.
• 4. Обчисліть молярну концентрацію сульфатної кислоти в розчині з густиною 1,60 г/мл і масовою часткою кислоти 69,1 %.
• 5. Обчисліть молярну концентрацію хлоридної кислоти в розчині, масова частка HCl у якому становить 20 %, а густина — 1,1 г/мл.
• 6. Обчисліть масову частку калій гідроксиду в розчині, де молярна концентрація лугу дорівнює 10 моль/л, а густина розчину — 1,4 г/мл.
• 7. Обчисліть масову частку ферум(ІІІ) хлориду в розчині, де його молярна концентрація дорівнює 3,5 моль/л, а густина розчину — 1,417 г/л.
• 8. Обчисліть молярну концентрацію аргентум(І) нітрату в розчині, у якому масова частка солі становить 50 %, а густина розчину — 1,668 г/мл.
• 9. Визначте молярну концентрацію кислоти в розчині, у якому масова частка нітратної кислоти 30 %, а густина — 1,18 г/мл.

Хімія підготовка до ЗНО та ДПА
Комплексне видання

У хімії використовують такі фізичні величини: маса, об’єм, кількість речовини, густина, атомна маса, відносна атомна й молекулярна маса, молярна маса, молярний об’єм, відносна густина газів, тиск, температура, час, концентрація, швидкість хімічної реакції, електричний заряд тощо.

Для обчислення мас атомів і молекул у хімії використовують три фізичні величини: масу атома й молекули, відносну атомну й молекулярну масу, атомну й молекулярну масу.

Маса атома й маса молекули — це маси атомів і молекул, виражені в одиницях СІ, тобто в кілограмах (або грамах).

Відносна атомна маса

Атоми — надзвичайно маленькі частинки з дуже малими масами. Наприклад, маса атома Гідрогену дорівнює 1,67 ∙ 10 – 27 кг . Користуватися такими величинами дуже незручно, а тому в хімії, як і в інших природничих науках, сьогодні використовують відносну атомну масу — фізичну величину, яка показує, у скільки разів маси атомів хімічних елементів більші від певної величини, що має назву атомної одиниці маси. Ця величина становить 1/12 маси атома нукліда Карбону 12 С. Маса атома цього нукліда, яка дорівнює 19,93 ∙ 10 – 27 кг , прийнята за 12 а. о. м. Із цього випливає, що 1 а. о. м. = 1,66 ∙ 10 – 27 кг .

Карбоновий еталон у визначенні відносних атомних мас існує не дуже давно. Карбонова одиниця була введена на початку 50-х років XX століття, коли стали використовувати метод мас-спектрометрії для визначення атомних мас. До цього хіміки користувалися водневою одиницею (тобто обчислювали відносну атомну масу як відношення маси атома елемента до маси атома Гідрогену), кисневою тощо. Також був час, коли пропонували ввести йодну одиницю у зв’язку з тим, що в йоду наявний тільки один стійкий нуклід (тобто він є ізотопно чистим елементом). Тому карбонову одиницю використовують як більш зручну, хоч це й не означає, що вона є більш об’єктивною.

Відносні атомні маси хімічних елементів отримують при розділенні мас відповідних атомів на атомну одиницю маси. Якщо провести такий поділ, то можна визначити, що відносна атомна маса Гідрогену дорівнює 1,00797 (округлено 1), а Оксигену — 15,9994 (округлено 16) тощо.

Таким чином, відносна атомна маса — це фізична величина, що визначається відношенням маси атома елемента до маси однієї дванадцятої частини маси атома нукліда Карбону 12 С.

Відносну атомну масу позначають символом А_r, де індекс іперша літера англійського слова «relative», що означає «відносний». Оскільки відносна атомна маса — величина відносна, отримана відношенням двох мас, то вона не має розмірності. Приклад запису: ————- A_r (Н) = 1,008, A_r (U) = 238,03.

Відносна молекулярна маса — це фізична величина, що визначається відношенням маси молекули до маси однієї дванадцятої частини маси атома нукліда Карбону 12 С.

Відносну молекулярну масу позначають символом М_r й аналогічно до відносної атомної маси вона не має одиниці вимірювання.

Відносну молекулярну масу обчислюють за хімічною формулою речовини як суму відносних атомних мас усіх атомів (з урахуванням їхньої кількості), що входять до складу молекули. У загальному вигляді:

Атомна маса й молекулярна маса — це маса атомів і молекул, виражена в атомних одиницях маси. Її обчислюють так само, як і відносну атомну та молекулярну маси, й чисельно ці величини рівні. Єдина відмінність — атомна й молекулярна маси мають одиницю вимірювання 1 а. о. м.

Кількість речовини — це фізична величина, що визначається числом часток — структурних елементів речовини: молекул, атомів, іонів. Кількість речовини позначають латинською літерою n.

Одиниця вимірювання кількості речовини — моль. 1 моль — це така кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів речовини (молекул, атомів, іонів), скільки міститься атомів у нукліді Карбону 12 С масою 0,012кг.

У зразкові нукліда карбону 12 С масою 0,012 кг міститься 6,022 ∙ 10 2 3 атомів Карбону. Отже, можна сказати, що 1 моль — це така кількість речовини, яка містить 6,022 ∙ 10 23 структурних елементів речовини (молекул, атомів, іонів).

Стала Авогадро

Число, яке дорівнює 6,022 ∙ 10 23 , називають сталою Авогадро. Ця величина позначається N_A й має одиницю виміру — моль – 1 .

Стала Авогадро — це одна з фундаментальних сталих нарівні з гравітаційною сталою, сталою Планка, швидкості світла у вакуумі тощо.

Молярна маса — це фізична величина, що дорівнює масі речовини кількістю 1 моль.

Молярну масу позначають символом М, одиниця вимірювання — кг/моль або г/моль. Молярна маса будь-якої речовини чисельно дорівнює її відносній атомній або молекулярній масі:

то, підставляючи (3) в (1), одержуємо

Відповідно молярну масу речовини з відомою формулою можна обчислити аналогічно до відносної молекулярної маси. Незважаючи на те, що чисельно молярна й молекулярна маси рівні, вони мають різне значення: відносна молекулярна маса характеризує масу однієї молекули, а молярна маса — масу речовини кількістю 1 моль.

Молярна маса речовини — це кількісна характеристика речовини, причому для речовини з певним складом вона є сталою величиною, незалежно від агрегатного стану й умов існування (температури, тиску, об’єму).

Молярний об’єм — це фізична величина, яка дорівнює об’єму речовини кількістю речовини 1 моль.

Молярний об’єм позначається символом V_m і має одиницю вимірювання — м 3 /моль або л/моль. На відміну від молярної маси, молярний об’єм не є сталою величиною, він залежить (особливо для газуватих речовин) від умов існування речовини: агрегатного стану, температури й тиску.

Молярний об’єм будь-якої речовини, незалежно від агрегатного стану, можна обчислити за допомогою фізичного рівняння m = ρ ∙ V:

Для обчислення молярного об’єму речовин, що перебувають у газоподібному стані, можна скористатися рівнянням Менделєєва — Клапейрона для ідеального газу: p ∙ V = n ∙ R ∙ T, де р — тиск газу, V — його об’єм, n — кількість речовини газу, R — універсальна газова стала, Т — абсолютна температура (за шкалою Кельвіна). Для газуватої речовини кількістю 1 моль (n = 1) одержуємо:

Досить часто при обчисленнях об’єми газів приводять до нормальних умов (температура 0 °С або 273,15 °К і тиск 101325 Па). Отже, можна обчислити значення молярного об’єму ідеального газу за таких умов:

Поняття «молярний об’єм газу» можна застосовувати не тільки до індивідуальних газуватих речовин, але й до газових сумішей. Мова йде про об’єм суміші, що містить 6,022 ∙ 10 23 молекул різних газів.

Основні фізичні величини, які використовують у хімії, пов’язані між собою такими формулами:

де m_а — маса атома (у кг); m_m — маса молекули (у кг); N — число структурних одиниць речовини (атомів, молекул, іонів); m — маса речовини; V — об’єм речовини.