Страница 105 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Образование кристаллов из раствора — физическое или химическое явление?

Решение

Образование кристаллов из раствора — это преимущественно физическое явление.

Чтобы определить, является ли процесс физическим или химическим, необходимо понять, изменяется ли химический состав вещества в ходе этого процесса.

• Физическое явление — это процесс, при котором изменяется форма, размер, агрегатное состояние вещества (например, переход из жидкости в твердое тело) или его положение в пространстве, но состав вещества остается неизменным. Новые вещества не образуются.
• Химическое явление (или химическая реакция) — это процесс, в результате которого одни вещества превращаются в другие, новые вещества с другими химическими свойствами и составом.

Рассмотрим процесс кристаллизации на примере поваренной соли (хлорида натрия, $NaCl$) в воде. Сначала соль растворяется в воде, при этом ее ионы ($Na^+$ и $Cl^−$) равномерно распределяются в растворителе. Это само по себе физический процесс.

Кристаллизация происходит, когда раствор становится пересыщенным (например, при испарении воды или охлаждении). В этом случае ионы $Na^+$ и $Cl^−$ начинают сближаться и выстраиваться в упорядоченную структуру, называемую кристаллической решеткой. В результате образуются твердые кристаллы соли.

Ключевым моментом является то, что вещество, из которого состоят кристаллы, — это тот же самый хлорид натрия ($NaCl$), который был изначально растворен. Его химическая формула и свойства не изменились. Произошел лишь фазовый переход из растворенного состояния в твердое. Поскольку состав вещества не изменился и новых веществ не образовалось, этот процесс является физическим.

Таким образом, кристаллизация — это процесс изменения физического состояния и упорядочивания частиц, а не химического превращения.

Ответ: Образование кристаллов из раствора — это физическое явление, поскольку в его ходе изменяется только агрегатное состояние вещества и взаимное расположение его частиц, а химический состав вещества остается прежним.

1. Какую операцию называют выпариванием? Как её осуществляют?

Какую операцию называют выпариванием?
Выпариванием называют метод разделения растворов, состоящих из летучего растворителя (например, воды) и нелетучего растворенного вещества (например, соли). Суть метода заключается в удалении растворителя путем его интенсивного испарения при нагревании. Целью выпаривания является получение более концентрированного раствора или выделение растворенного вещества в твердом виде. Этот метод основан на значительном различии в летучести (и, соответственно, температурах кипения) компонентов смеси.

Как её осуществляют?
В лабораторных условиях операцию выпаривания проводят следующим образом:
1. Раствор наливают в специальную термостойкую посуду, как правило, в фарфоровую выпарительную чашку.
2. Чашку с раствором нагревают. Для нагрева можно использовать пламя спиртовки, электрическую плитку или, для веществ, которые могут разлагаться при сильном нагреве, применяют более мягкий нагрев на водяной бане.
3. В процессе нагревания растворитель начинает активно испаряться с поверхности. Чтобы ускорить процесс, раствор можно довести до кипения.
4. Нагревание продолжают до тех пор, пока весь растворитель не перейдет в газообразное состояние (пар) и не улетучится.
5. В результате в выпарительной чашке остается твердое нелетучее вещество, которое было растворено в жидкости.
Примером выпаривания в промышленности является получение поваренной соли из морской воды или природных соляных растворов.

Ответ: Выпаривание — это операция по удалению летучего растворителя из раствора нелетучего вещества путем нагревания. Для ее осуществления раствор помещают в термостойкую посуду (например, выпарительную чашку) и нагревают до тех пор, пока весь растворитель не испарится, а твердое вещество не останется на дне посуды.

2. Расскажите, как можно вырастить в домашних условиях крупные кристаллы поваренной соли.

Выращивание кристаллов — увлекательный процесс, основанный на физическом явлении кристаллизации вещества из перенасыщенного раствора. Для поваренной соли (хлорида натрия, $NaCl$) этот процесс можно легко осуществить в домашних условиях. Главный принцип заключается в медленном испарении воды из насыщенного солевого раствора, в результате чего излишки соли оседают на заранее подготовленной основе («затравке»), формируя один большой кристалл правильной формы.

• Поваренная соль ($NaCl$). Желательно использовать соль крупного помола без добавок (йода, антислёживающих агентов).
• Вода. Лучше всего подойдет дистиллированная вода, но можно использовать и фильтрованную водопроводную.
• Стеклянная банка или стакан.
• Кастрюля для приготовления раствора.
• Ложка или палочка для размешивания.
• Прочная нитка (например, хлопчатобумажная).
• Карандаш или палочка (чтобы подвесить нитку на банке).
• Фильтровальная бумага, кофейный фильтр или марля.

1. Приготовление перенасыщенного раствора. Налейте в кастрюлю воду и поставьте на огонь. Нагревайте воду, но не доводите до кипения (оптимальная температура 60-80°C). Постепенно добавляйте в горячую воду соль, постоянно помешивая, пока она не перестанет растворяться, и на дне не останется небольшой осадок. Это означает, что раствор стал насыщенным при данной температуре.
2. Фильтрация раствора. Дайте раствору немного остыть и отстояться. Затем аккуратно перелейте его в чистую стеклянную банку через фильтр или марлю. Это очень важный этап: он позволяет избавиться от нерастворившихся частиц соли и других примесей, которые могут стать центрами для роста множества мелких кристаллов вместо одного крупного.
3. Подготовка «затравки». Затравка — это небольшой кристаллик, который станет основой для роста большого кристалла. Чтобы его получить, можно налить немного приготовленного раствора на блюдце и дать ему высохнуть. Через день на блюдце образуется множество мелких кристалликов. Выберите самый крупный и ровный из них. Аккуратно привяжите его к концу нитки. Другой конец нитки привяжите к середине карандаша.
4. Процесс выращивания. Положите карандаш на горлышко банки так, чтобы нитка с затравкой оказалась полностью погруженной в солевой раствор, не касаясь дна и стенок банки. Накройте банку листом бумаги или салфеткой, чтобы защитить раствор от пыли, но не закрывайте герметично, так как вода должна испаряться.
5. Ожидание и уход. Поставьте банку в спокойное место, где нет сквозняков, вибраций и резких перепадов температуры. Рост кристалла — медленный процесс, который может занять от нескольких дней до нескольких недель. По мере испарения воды концентрация соли в растворе будет увеличиваться, и избыток $NaCl$ будет оседать на вашей затравке. Если на дне или стенках банки начнут расти другие кристаллы, аккуратно извлеките нитку с вашим кристаллом, перелейте раствор в другую чистую банку (снова отфильтровав) и верните кристалл в очищенный раствор.

• Чем медленнее будет испаряться вода (например, в прохладном месте), тем более крупным и правильным по форме получится кристалл.
• Используйте максимально чистую соль и воду, чтобы избежать дефектов в структуре кристалла.
• Не трясите и не передвигайте банку без необходимости во время роста кристалла.

Ответ: Для выращивания крупного кристалла поваренной соли в домашних условиях необходимо приготовить горячий насыщенный солевой раствор, отфильтровать его от примесей и нерастворившихся частиц, а затем поместить в него «затравку» — маленький кристаллик соли, привязанный к нитке. Банку с раствором следует оставить в спокойном месте, накрыв бумагой, для медленного испарения воды. По мере испарения растворитель (вода) будет уходить, а растворенное вещество ($NaCl$) будет кристаллизоваться на затравке, постепенно увеличивая ее в размерах.

3. Как можно превратить мелкие кристаллы калийной селитры в крупные?

Чтобы превратить мелкие кристаллы калийной селитры (нитрата калия, $KNO_3$) в крупные, необходимо воспользоваться методом перекристаллизации. Этот метод основан на том, что растворимость большинства твердых веществ, включая калийную селитру, сильно зависит от температуры растворителя (в данном случае, воды). С повышением температуры растворимость $KNO_3$ в воде значительно возрастает.

Процесс выращивания крупных кристаллов выглядит следующим образом:

1. Приготовление насыщенного раствора. Мелкие кристаллы калийной селитры необходимо растворить в горячей воде. Чтобы раствор получился насыщенным, селитру добавляют в воду, нагретую почти до кипения, и перемешивают до тех пор, пока она не перестанет растворяться. Желательно использовать минимально возможное количество воды.
2. Медленное охлаждение. Горячий насыщенный раствор необходимо очень медленно охлаждать до комнатной температуры. Это ключевой этап для роста крупных кристаллов. При медленном остывании растворимость селитры падает, раствор становится пересыщенным, и "лишнее" вещество начинает выделяться из раствора в виде кристаллов. Медленный процесс дает молекулам вещества достаточно времени, чтобы они могли упорядоченно присоединяться к уже существующим центрам кристаллизации, формируя большие и правильные кристаллы. Для замедления процесса можно, например, укутать сосуд с раствором в теплоизолирующий материал (полотенце, пенопласт).
3. Отделение кристаллов. После того как раствор остыл и кристаллизация завершилась, крупные кристаллы можно отделить от оставшегося раствора (маточного раствора) путем фильтрования или просто аккуратно слив жидкость.

Если же охлаждать раствор быстро (например, поставив его в холодильник или на лед), то образуется множество центров кристаллизации одновременно, что приведет к выпадению большого количества мелких кристаллов.

Ответ: Мелкие кристаллы калийной селитры нужно растворить в горячей воде до получения насыщенного раствора, а затем очень медленно охладить этот раствор.

4. При выпаривании 120 г раствора поваренной соли получили 6 г твёрдого остатка. Определите массовую долю соли в исходном растворе.

Дано:

$m_{раствора} = 120 \text{ г}$

$m_{тв. остатка} = m_{соли} = 6 \text{ г}$

Найти:

$\omega_{соли} - ?$

Решение:

Массовая доля растворенного вещества ($\omega$) в растворе определяется как отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора.

Формула для расчета массовой доли:

$\omega_{вещества} = \frac{m_{вещества}}{m_{раствора}}$

В данной задаче растворенным веществом является поваренная соль. При выпаривании раствора вся вода (растворитель) испаряется, и в твердом остатке остается только растворенное вещество — соль. Таким образом, масса твердого остатка равна массе соли в исходном растворе.

Подставим известные значения в формулу для нахождения массовой доли соли:

$m_{соли} = 6 \text{ г}$

$m_{раствора} = 120 \text{ г}$

$\omega_{соли} = \frac{6 \text{ г}}{120 \text{ г}} = 0.05$

Часто массовую долю выражают в процентах. Для этого необходимо умножить полученное значение на 100%.

$\omega_{соли}(\%) = 0.05 \times 100\% = 5\%$

Ответ: массовая доля соли в исходном растворе составляет 0.05, или 5%.

5. В каком случае удастся получить больше твёрдого остатка: при выпаривании 230 г 7%-го раствора поваренной соли или 150 г 10%-го раствора калийной селитры?

Дано

Масса раствора поваренной соли ($m_{р-ра1}$) = 230 г
Массовая доля поваренной соли ($\omega_1$) = 7%
Масса раствора калийной селитры ($m_{р-ра2}$) = 150 г
Массовая доля калийной селитры ($\omega_2$) = 10%

Перевод в систему СИ:
$m_{р-ра1}$ = 0.23 кг
$\omega_1$ = 0.07 (безразмерная величина)
$m_{р-ра2}$ = 0.15 кг
$\omega_2$ = 0.10 (безразмерная величина)

Найти:

Сравнить массы твёрдых остатков ($m_{остатка1}$ и $m_{остатка2}$), полученных после выпаривания.

Решение

Твёрдый остаток, который образуется при выпаривании раствора, — это масса растворенного вещества. Чтобы ответить на вопрос задачи, нужно вычислить массу соли в каждом из растворов и сравнить их.

Масса растворенного вещества ($m_{вещества}$) находится по формуле:
$m_{вещества} = m_{раствора} \times \omega_{вещества}$
где $\omega_{вещества}$ — это массовая доля вещества, выраженная в долях от единицы (для этого процентное содержание нужно разделить на 100).

1. Рассчитаем массу твёрдого остатка (поваренной соли, NaCl) в первом случае:
$\omega_1 = 7\% = 0.07$
$m_{остатка1} = m_{р-ра1} \times \omega_1 = 230 \, \text{г} \times 0.07 = 16.1 \, \text{г}$

2. Рассчитаем массу твёрдого остатка (калийной селитры, KNO$_3$) во втором случае:
$\omega_2 = 10\% = 0.10$
$m_{остатка2} = m_{р-ра2} \times \omega_2 = 150 \, \text{г} \times 0.10 = 15.0 \, \text{г}$

3. Теперь сравним полученные массы:
$16.1 \, \text{г} > 15.0 \, \text{г}$
Таким образом, масса твёрдого остатка, полученного при выпаривании раствора поваренной соли, больше массы остатка от выпаривания раствора калийной селитры.

Ответ: больше твёрдого остатка удастся получить при выпаривании 230 г 7%-го раствора поваренной соли.

6. Используя данные о растворимости поваренной соли из приложения (с. 190), определите, можно ли растворить при комнатной температуре две столовые ложки поваренной соли в 1 л воды. Одна столовая ложка без горки вмещает 25 г соли.

Дано:

Количество столовых ложек соли, $n = 2$ шт.
Масса соли в одной столовой ложке, $m_1 = 25$ г
Объем воды, $V_{воды} = 1$ л
Температура, $t$ = комнатная ($\approx 20$ °C)
Растворимость поваренной соли (NaCl) при 20 °C (из справочных данных, упомянутых в приложении), $S_{NaCl} \approx 36$ г на 100 г воды.

Масса 1 л воды при комнатной температуре (плотность $\approx 1$ г/мл):
$m_{воды} = 1000$ г = 1 кг

Найти:

Можно ли растворить данное количество соли в указанном объеме воды.

Решение:

1. Сначала найдем общую массу поваренной соли, которую необходимо растворить. По условию, у нас есть две столовые ложки, каждая из которых вмещает 25 г соли.

$m_{соли} = n \cdot m_1 = 2 \cdot 25 \text{ г} = 50 \text{ г}$

2. Теперь определим, какая максимальная масса соли может быть растворена в 1 л воды при комнатной температуре. Для этого используем справочное значение растворимости поваренной соли (NaCl).

Растворимость NaCl при 20 °C составляет примерно 36 г на 100 г воды. Нам нужно рассчитать, сколько соли растворится в 1000 г (1 л) воды. Составим пропорцию:

$36 \text{ г соли} \longrightarrow 100 \text{ г воды}$
$m_{max} \text{ соли} \longrightarrow 1000 \text{ г воды}$

Отсюда находим максимальную массу соли ($m_{max}$), которую можно растворить в 1 л воды:

$m_{max} = \frac{36 \text{ г} \cdot 1000 \text{ г}}{100 \text{ г}} = 360 \text{ г}$

3. На последнем шаге сравним массу соли, которую мы хотим добавить ($m_{соли} = 50$ г), с максимальной массой, которая может раствориться в данном объеме воды ($m_{max} = 360$ г).

$50 \text{ г} < 360 \text{ г}$

Поскольку масса соли, которую мы добавляем, меньше максимальной массы, которая может раствориться, вся соль растворится полностью.

Ответ: Да, две столовые ложки поваренной соли можно растворить в 1 л воды при комнатной температуре.

Лабораторный опыт 6

Кристаллизация калийной селитры

Растворите в стакане с горячей (почти кипящей) водой две ложечки калийной селитры, затем охладите раствор, поместив в чашку с холодной водой. Что наблюдаете? Какую форму имеют выделившиеся кристаллы? Вытрите стакан снаружи сухой тряпкой, поставьте его на электроплитку и вновь нагрейте. Перемешивайте раствор стеклянной палочкой. Дождитесь полного растворения кристаллов. Выключите плитку. Не снимая стакан с плитки, дайте ему постепенно охладиться до комнатной температуры. Сравните размер и форму выделившихся кристаллов с кристаллами, полученными при быстром охлаждении.

Этот лабораторный опыт демонстрирует процесс кристаллизации калийной селитры ($KNO_3$) из водного раствора и зависимость размера и формы кристаллов от скорости охлаждения. Растворимость калийной селитры сильно зависит от температуры: она хорошо растворяется в горячей воде и плохо — в холодной.

Растворите в стакане с горячей (почти кипящей) водой две ложечки калийной селитры, затем охладите раствор, поместив в чашку с холодной водой. Что наблюдаете? Какую форму имеют выделившиеся кристаллы?

Решение:
При растворении калийной селитры в горячей воде образуется насыщенный раствор. Когда мы помещаем стакан с этим горячим раствором в холодную воду, происходит быстрое охлаждение. Поскольку растворимость калийной селитры при понижении температуры резко падает, раствор становится пересыщенным. Избыток соли начинает быстро выделяться из раствора в виде твердых кристаллов.

Наблюдается помутнение раствора и быстрое образование большого количества мелких белых кристаллов, которые оседают на дне и стенках стакана. Этот процесс называется кристаллизацией.

При быстром охлаждении образуется множество центров кристаллизации, но у кристаллов мало времени для роста. Поэтому выделившиеся кристаллы калийной селитры будут очень мелкими, игольчатой формы, образуя сплошную массу, похожую на снег или иней. Различить форму отдельных кристаллов невооруженным глазом будет затруднительно.

Ответ: Наблюдается быстрое образование большого количества мелких белых кристаллов. Кристаллы имеют игольчатую форму, но из-за малого размера они выглядят как мелкокристаллический порошок или сплошная масса.

Вытрите стакан снаружи сухой тряпкой, поставьте его на электроплитку и вновь нагрейте. Перемешивайте раствор стеклянной палочкой. Дождитесь полного растворения кристаллов. Выключите плитку. Не снимая стакан с плитки, дайте ему постепенно охладиться до комнатной температуры. Сравните размер и форму выделившихся кристаллов с кристаллами, полученными при быстром охлаждении.

Решение:
При повторном нагревании все выпавшие кристаллы калийной селитры снова растворяются. Когда мы выключаем плитку и оставляем стакан остывать медленно, температура раствора понижается постепенно. В этом случае раствор также становится пересыщенным, но не так резко, как при быстром охлаждении.

При медленном охлаждении образуется гораздо меньше центров кристаллизации. Молекулы вещества успевают присоединяться к уже существующим зародышам кристаллов, обеспечивая их рост. В результате этого процесса образуются более крупные и правильные по форме кристаллы.

При сравнении результатов можно отметить следующее. Во-первых, размер: кристаллы, полученные при медленном охлаждении, будут значительно крупнее кристаллов, полученных при быстром охлаждении. Во-вторых, форма: при медленном охлаждении образуются хорошо сформированные, правильные кристаллы. Для калийной селитры это будут вытянутые призмы или иглы, форма которых будет хорошо различима. В отличие от них, кристаллы, полученные при быстром охлаждении, мелкие и часто сросшиеся в агрегаты.

Ответ: Кристаллы, полученные при медленном охлаждении, значительно крупнее и имеют более правильную и четко выраженную игольчатую или призматическую форму по сравнению с мелкими и сросшимися кристаллами, образовавшимися при быстром охлаждении.