Коллигативные свойства раствора

Растворы кипят при более высокой и замерзают при более низкой температурах, чем чистые растворители.

Повышение температуры кипения или уменьшение температуры кристаллизации раствора прямопропорционально моляльной концентрации растворенного вещества (закон Рауля).

Dt_кип = Е× С_m (1),

где Е - эбуллиоскопическая константа

С_m – моляльная концентрация растворенного вещества (моль/кг)

Сm = m_{раств. вещества} ×1000/ М _{раств . вещества} ×m _{расвторителя.} (2)

Dt крист. = К× Сm (3),

где К – криоскопическая константа;

С_m – моляльная концентрация растворенного вещества (моль/кг)

Видно, что Dt_кип и Dt_крист. зависят только от числа молей растворенного вещества. Каждый моль содержит 6 ×10²³ молекул, следовательно температуры кипения и кристаллизации зависят только от числа частиц растворенного вещества.

Второй закон Рауля: Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора пропорциональны числу частиц растворенного вещества и не зависят от его природы

Рассмотренные выше свойства зависят от молекулярной массы растворенного вещества, и поэтому используются в лабораторной практике для определения молекулярной массы растворенного вещества.

М = К ×m₂ ×1000/ Dt_крист ×m₁ (4),

где М –молярная масса растворенного вещества, (г/моль)

К – криоскопическая константа растворителя,

m₁ – масса растворителя,(г)

m₂ – масса растворенного вещества, (г)

Dt_крист – изменение температуры кристаллизации раствора (⁰С).

ПРИМЕР 1:Вычислить температуру кипения и температуру кристаллизации 4,6%-ного раствора глицерина в воде, молекулярная масса глицерина равна 92 г/моль.

РЕШЕНИЕ: Dt_кип = Е С_m =Е m_{раств. вещества} 1000/ М _{раств. вещества} m_{растворителя}

1)Раствор содержит 4,6 г глицерина в 95,4 г воды

2)Dt_кип = 0,52 ×4,6 ×1000/92 ×95,4=0,27⁰С

3)Dt_крист. = К ×Сm =К× m_{раств. вещ.} ×1000/ М _{раств. вещ.} ×m_{растворителя}

Dt_крист. = 1,86 ×4,6 ×1000/92 ×95,4 = 0,975⁰С.

4)t _{кип р-ра} = t _{кип р-ля} + Dt_кип = 100 + 0,27 = 100,27⁰С

5)t _{крист. р-ра} = t _{крист. р-ля} + Dt_крист=0-0,975 = -0,975⁰С

ОТВЕТ: t_кип = 100,27⁰С, t _крист. = -0,975⁰С.

ПРИМЕР 2:Раствор, содержащий 8 г некоторого вещества в 100 г диэтилового эфира, кипит при 36, 86⁰С, тогда как чистый эфир кипит при 35,6 ⁰С. Определите молярную массу растворенного вещества.

РЕШЕНИЕ: 1) Dt _кип = t_{кип р-ра} - t _{кип р-ля} = 36,86 – 35,6 =1,26⁰С.

2)используя формулу (4) найдем молярную массу растворенного вещества:

М =2,02 ×8 ×1000/1,26 ×100 = 128,2 г/моль.

ОТВЕТ: М = 128,2г/моль.

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

61. Сколько граммов глюкозы С₆Н₁₂О₆ следует растворить в 260 г воды для получения раствора, температура кипения которого превышает температуру кипения чистого растворителя на 0,05⁰С?

62. Температура кипения эфира 34,6⁰С, а его эбуллиоскопическая константа 2,16⁰С. Вычислить молярную массу бензойной кислоты, если известно, что 5%-ный раствор этой кислоты в эфире кипит при 35,53⁰С.

63. В радиатор автомобиля налили 9 л воды и прибавили 2 л метилового спирта (СН₃ОН) (r = 0,8 г/мл). При какой наименьшей температуре можно после этого оставить автомобиль на открытом воздухе, не опасаясь, что вода в радиаторе замерзнет?

64. Сколько граммов фенола С₆Н₅ОН следует растворить в 125 граммах бензола, чтобы температура кристаллизации раствора была ниже температуры кристаллизации бензола на 1,7⁰С? Криоскопическая константа бензола равна 5,1⁰.

65. При растворении 3,24 г серы в 40 г бензола температура кипения последнего повысилась на 0,81 К. Из скольких атомов состоит молекула серы в растворе?

66. Вычислить температуру кристаллизации водного раствора мочевины СО(NН₂)₂, в котором на 100 молей воды приходится 1 моль растворенного вещества.

67. В 200 г воды растворено 1) 31 г карбамида СО(NН₂)₂, 2) 90 г глюкозы С₆Н₁₂О₆. Будут ли температуры кипения этих растворов одинаковы? Вывод подтвердите расчетом температур кипения этих растворов.

68. Как соотносятся температуры кристаллизации 0,1 %-ных растворов глюкозы (С₆Н₁₂О₆) и сахара (С₁₂Н₂₂О₁₁)? Вывод подтвердите расчетом температур кристаллизаций данных растворов.

69. При какой температуре кристаллизуется водный раствор, содержащий 3 ×10²³ молекул неэлектролита в 1 литре воды?

70.Раствор сахара в воде показывает повышение температуры кипения на 0,312⁰С. Вычислить величину понижения температуры кристаллизации этого раствора.

71. Вычислить %-ное содержание сахара С₁₂Н₂₂О₁₁ в водном растворе, температура кристаллизации которого равна –0,41⁰С.

72. Сколько граммов карбамида СО(NН₂)₂ надо растворить в 250 г воды, чтобы повысить температуру кипения на 2⁰С?

73. Раствор, содержащий 17,6г вещества в 250 г уксусной кислоты кипит на 1⁰С выше, чем чистая уксусная кислота. Вычислите молекулярный вес растворенного вещества. Эбуллиоскопическая константа уксусной кислоты 2,53⁰С.

74. Сколько граммов сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ надо растворить в 100 г воды, чтобы понизить температуру кристаллизации на 1⁰С?

75. Вычислить температуру кипения 5%-ного раствора сахара С₁₂Н₂₂О₁₁ в воде.

76. При растворении 0,4 г некоторого вещества в 10 г воды температура кристаллизации раствора понижается на 1,24⁰С. Вычислить молекулярную массу вещества.

77. Вычислить процентную концентрацию водного раствора метанола СН₃ОН, температура кристаллизации которого равна -2,79^оС. Криоскопическая константа воды равна 1,86^о.

78. Вычислите температуру кипения 15%-ного водного раствора пропилового спирта С₃Н₇ОН. Эбуллиоскопическая константа воды равна 0,52^оС.

79. При растворении 2,3г некоторого неэлектролита в 125 г воды температура кристаллизации понижается на 0,372^о. Вычислите молярную массу растворенного вещества. Криоскопическая константа воды равна 1,86^о.

80. Раствор, содержащий 3,04г камфоры С₁₀Н₁₆О в 100 г бензола, кипит при 80,714^оС. Температура кипения бензола равна 80,2^оС. Вычислите эбуллиоскопическую константу бензола.

ГИДРОЛИЗ СОЛЕЙ

Гидролиз солей – химическое обменное взаимодействие ионов растворенной соли с водой, приводящее к образованию слабодиссоциирующих продуктов (молекул слабых кислот или оснований, анионов кислых солей или катионов основных солей) и сопровождающееся изменением рН среды.

рН - водородный показатель среды, который характеризует кислотность раствора: для нейтральных растворов рН=7; для кислых рН<7; для щелочных рН>7.

Гидролизу подвергаются только те соли, в состав которых входит ион слабого электролита.

Соли, образованные сильными кислотами и основаниями, не содержат в своем составе ионов, способных к взаимодействию с молекулами воды, поэтому гидролизу не подвергаются, а реакция растворов этих солей такая же, как и в воде, нейтральная (рН=7).

Все остальные соли подвергаются гидролизу. Возможны три типа гидролиза солей в зависимости от участия в нем катиона, аниона или того и другого иона соли.

1) Соли, образованные сильной кислотой и слабым основанием гидролизуются по катиону (Кatⁿ⁺). При этом катионы соли связывают ионы ОН^- , а в растворе накапливаются ионы Н⁺, что обуславливает кислую среду раствора (рН<7):

Katⁿ⁺ + HOH ↔ KatOH^(n-1)+ + H⁺, (при n=1 образуется KatOH – слабое основание).

2) Соли, образованные слабой кислотой и сильным основанием гидролизуются по аниону (An^n-). При этом анионы соли связывают ионы Н⁺, а в растворе накапливаются ионы ОН^-, что обуславливает щелочную среду (рН>7):

An^n- + HOH ↔ Han^(n-1)- + OH^-, (при n=1 образуется HAn – слабая кислота.

Гидролиз солей, образованных многозарядными катионами и анионами, проходит ступенчато: число ступеней определяется числовым значением заряда гидролизующего иона. Так, сульфат меди (CuSO₄) и сульфид натрия (Na₂S) гидролизуются по двум сткпеням:

1-я ступень: Cu²⁺ + HOH ↔ CuOH⁺ + H⁺; S^2- + HOH ↔ HS^- + OH^-;

2-я ступень: CuOH⁺ HOH ↔ Cu(OH)₂ + H⁺; HS^- + HOH ↔ H₂S + OH^-.

Образующиеся по первой ступени гидролиза ионы Н⁺ или ОН^- значительно снижают вероятность гидролиза по последующим ступеням. В результате практическое значение обычно имеет процесс, идущий только по первой ступени, которым, как правило, и ограничиваются при оценке гидролиза солей в обычных условиях.

3)Гидролиз по катиону и по аниону имеет место при растворении солей, образованных слабой кислотой и слабым основанием.

Рассмотрим этот случай на примере соли CH₃COONH₄, в растворе которой каждый из ионов подвергается гидролизу:

NH₄⁺ + HOH ↔ NH₄OH + H⁺ и

CH₃COO^- + HOH↔ CH₃COOH + OH^-

Оба процесса усиливают друг друга за счет практически необратимого связывания ионов Н⁺ и ОН^- (Н⁺ + ОН^- ↔ Н₂О); одновременно протекает гидролиз и по катиону, и по аниону:

NH₄⁺ + CH₃COO^- + HOH ↔ NH₄OH + CH₃COOH

Так как гидролиз солей – процесс обратимый, то для его описания можно использовать принцип Ле Шателье. Гидролиз солей можно усилить, то есть сместить химическое равновесие процесса гидролиза вправо, путем разбавления раствора соли (увеличением концентрации молекул воды), повышения температуры, уменьшением концентрации продукта гидролиза.

ПРИМЕР:Опишите поведение в воде соли Al(NO₃)₃ рассмотрите равновесие в ее растворе при добавлении следующих веществ: а) HNO₃, б) NaOH, и) K₂SO₃. Дайте мотивированный ответ на вопрос: в каких случаях гидролиз нитрата алюминия усилится? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей и укажите рН их растворов.

ОТВЕТ: Al(NO₃)₃ – соль, образованная слабым основанием и сильной кислотой, гидролизуется по катиону. Т.к Al³⁺ - многозарядный катион, имеет место ступенчатый гидролиз с преимущественным протеканием при обычных условиях по первой ступени:

Al³⁺ + HOH ↔ AlOH²⁺ + H⁺,

В растворе накапливаются ионы Н⁺, поэтому раствор имеет кислую среду (рН<7).

Рассмотрим равновесие в растворе данной соли при добавлении:

А) HNO_3. При этом увеличивается концентрация ионов Н⁺ и равновесие смещается влево, т.е. гидролиз соли подавляется.

Б) NaOH. При этом ионы ОН^-будут связывать имеющиеся в растворе ионы Н⁺ в малодиссоциирующие молекулы воды (ОН^- + Н⁺ ↔ Н₂О) и равновесие гидролиза сместится вправо, в направлении образования продуктов гидролиза, т.е.гидролиз усилится.

В) K₂SO₃. При этом, вследствие гидролиза этой соли по аниону:

SO₃^2- + HOH ↔ HSO₃^- + OH^-

в растворе накапливаются ионы ОН^-, которые как в случае б), приведут к смещению равновесия гидролиза соли Al(NO₃)₃ вправо, т.е. к усилению ее гидролиза.

В этом случае наблюдается случай совместного гидролиза, с образованием конечных продуктов гидролиза обеих солей:

2Al(NO₃)₃ + 6H₂O + 3K₂SO₃ = 2Al(OH)₃ ↓+ 3H₂SO₃ + 6KNO₃

2Al³⁺ + 6HOH + 3SO₃^2- = 2Al(OH)₃↓ + 3H₂SO₃

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

81. Какие из солейFeSO₄, Na₂CO₃, KCl подвергаются гидролизу? Почему? Составьте молекулярные и ионно–молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей по 1-ой ступени. Какое значение рН (> 7 <) имеют растворы этих солей?

82.Укажите реакцию среды растворов Na₂S и NH₄NO₃. Ответ подтвердите молекулярными и ионно-молекулярными уравнениями реакций. Назовите продукты гидролиза данных солей по 1-ой ступени.

83. Опишите поведение в воде соли FeCl₃ и рассмотрите равновесие в ее растворе при добавлении следующих веществ: а)HCl, б) NaCN, в) KOH. Дайте мотивированный ответ на вопрос: в каких случаях гидролиз хлорида железа усилится? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей и укажите рН их раствора.

84. Какие из пар солей в водных растворах взаимно усиливают гидролиз друг друга: а) AlCl₃ и Na₂S; б)Fe₂(SO₄)₃ и ZnCl₂; в) FeCl₃ и K₂SO₃? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения соответствующих реакций.

85. Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: FeCl₂ или FeCl₃; Na₂CO₃ или Na₂SO₃? Почему? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

86.При смешивании растворов Al₂(SO₄)₃ и Na₂CO₃ каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза каждой из солей и уравнение совместного гидролиза.

87.Какие из солейAl₂(SO₄)₃, K₂SO₃, NaCl подвергаются гидролизу? Почему? Составьте молекулярные и ионно–молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей по 1-ой ступени. Какое значение рН (> 7 <) имеют растворы этих солей?

88.Укажите реакцию среды растворов K₂S и Cr(NO₃)₂. Ответ подтвердите молекулярными и ионно-молекулярными уравнениями реакций. Назовите продукты гидролиза данных солей по 1-ой ступени.

89.Опишите поведение в воде соли Na₃PO₄ и рассмотрите равновесие в ее растворе при добавлении следующих веществ: а)H₂SO₄, б) KOH, в) ZnSO₄. Дайте мотивированный ответ на вопрос: в каких случаях гидролиз фосфата натрия усилится? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей и укажите рН их раствора.

90.. Какие из пар солей в водных растворах взаимно усиливают гидролиз друг друга: а) FeCl₃ и Na₂CO₃; б)Fe₂(SO₄)₃ и AlCl₃; в) NH₄Cl и K₂SO₃? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения соответствующих реакций.

91.Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: NaCN или NaClO; MgCl₂ или ZnCl₂ ? Почему? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

92.При смешивании растворов K₂S и CrCl₃ каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза каждой из солей и уравнение совместного гидролиза.

93.Какие из солейCr₂(SO₄)₃, K₂S, RbCl подвергаются гидролизу? Почему? Составьте молекулярные и ионно–молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей по 1-ой ступени. Какое значение рН (> 7 <) имеют растворы этих солей?

94.Укажите реакцию среды растворов Na₃PO₄ и ZnSO₄. Ответ подтвердите молекулярными и ионно-молекулярными уравнениями реакций. Назовите продукты гидролиза данных солей по 1-ой ступени.

95.Опишите поведение в воде соли ZnCl₂ и рассмотрите равновесие в ее растворе при добавлении следующих веществ: а)H₂SO₄, б) NaOH, в) CH₃COOK Дайте мотивированный ответ на вопрос: в каких случаях гидролиз хлорида цинка усилится? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей и укажите рН их раствора.

96.Какие из пар солей в водных растворах взаимно усиливают гидролиз друг друга: а)NiSO₄ и CH₃COOK; б)FeCl ₃ и Pb(NO₃)₂; в) NH₄NO₃ и Na₂CO₃? Почему? Составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения соответствующих реакций.

97.Какая из двух солей при равных условиях в большей степени подвергается гидролизу: NaCN или CH₃COONa; SnCl₂ или SnCl₄ ? Почему? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей.

98.При смешивании растворов K₂SO₃ и Pb(NO₃)₂ каждая из взятых солей гидролизуется необратимо до конца с образованием соответствующих основания и кислоты. Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза каждой из солей и уравнение совместного гидролиза.

99.Какие из солейFe(NO₃)₃, K₃PO₄, Na₂SO₄ подвергаются гидролизу? Почему? Составьте молекулярные и ионно–молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей по 1-ой ступени. Какое значение рН (> 7 <) имеют растворы этих солей?

100.Опишите поведение в воде соли Pb(NO₃)₂ и рассмотрите равновесие в ее растворе при добавлении следующих веществ: а) KOH, б) HCl, в) NaNO₂ Дайте мотивированный ответ на вопрос: в каких случаях гидролиз нитрата свинца усилится? Составьте ионно-молекулярные и молекулярные уравнения гидролиза соответствующих солей и укажите рН их раствора.