Страница 97 - гдз по химии 8 класс учебник Габриелян, Остроумов

1. Дайте определение растворов. Что представляют собой гидраты?

Дайте определение растворов.

Решение

Растворы — это гомогенные (однородные) системы переменного состава, состоящие из двух или более компонентов: растворителя, растворенного вещества (или нескольких веществ) и продуктов их взаимодействия. Основной характеристикой раствора является равномерное распределение частиц растворенного вещества в объеме растворителя на молекулярном или ионном уровне. Вследствие этого раствор представляет собой единую фазу, и его свойства (плотность, концентрация, цвет и т.д.) одинаковы в любой его точке.

Компоненты раствора:

• Растворитель — компонент, который находится в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор, или присутствует в избытке. Для водных растворов растворителем всегда считается вода.
• Растворенное вещество — компонент, который равномерно распределен в растворителе.

Растворы могут существовать в различных агрегатных состояниях: газообразном (например, воздух), жидком (например, раствор сахара в воде) и твердом (например, сплавы металлов, как латунь).

Процесс растворения — это сложный физико-химический процесс. С физической точки зрения происходит диффузия (проникновение) частиц одного вещества между частицами другого. С химической точки зрения происходит взаимодействие между частицами растворителя и растворенного вещества, которое называется сольватацией (а в случае воды — гидратацией).

Ответ: Растворы — это однородные (гомогенные) системы, состоящие из растворителя, одного или нескольких растворенных веществ и продуктов их взаимодействия, в которых частицы растворенного вещества равномерно распределены в объеме растворителя.

Что представляют собой гидраты?

Решение

Гидраты — это соединения, которые образуются в результате присоединения молекул воды к молекулам или ионам другого вещества. Процесс образования гидратов называется гидратацией. Гидратация является частным случаем сольватации — взаимодействия частиц растворенного вещества с молекулами растворителя.

В водных растворах ионы или молекулы растворенного вещества окружены оболочкой из прочно связанных с ними молекул воды. Эти образования и называются гидратами (или аквакомплексами). Например, при растворении в воде сульфата меди(II) ($CuSO_4$) ионы $Cu^{2+}$ взаимодействуют с молекулами воды, образуя гидратированные ионы $[Cu(H_2O)_n]^{2+}$ (где n обычно равно 4 или 6). Именно образование гидратированного иона меди придает раствору характерный голубой цвет.

Многие гидраты могут быть выделены из раствора в виде твердых кристаллических веществ, называемых кристаллогидратами. В их кристаллической решетке содержатся молекулы воды. Примерами могут служить:

• Медный купорос: $CuSO_4 \cdot 5H_2O$ (пентагидрат сульфата меди(II))
• Железный купорос: $FeSO_4 \cdot 7H_2O$ (гептагидрат сульфата железа(II))
• Глауберова соль: $Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$ (декагидрат сульфата натрия)

Связь между ионом/молекулой и водой в гидратах (особенно в аквакомплексах и кристаллогидратах) является химической (чаще всего донорно-акцепторной), а не просто межмолекулярным взаимодействием.

Ответ: Гидраты — это продукты взаимодействия (соединения) молекул или ионов вещества с молекулами воды. В растворах они существуют в виде гидратированных ионов или молекул (сольватов), а также могут быть выделены в виде твердых кристаллогидратов, содержащих в своей структуре молекулы кристаллизационной воды.

2. Как рассчитывается массовая доля растворённого вещества?

1. Дайте определение раствора. Что представляют собой гидраты?

Раствор — это гомогенная (однородная) система переменного состава, которая состоит из двух или более компонентов: растворителя, растворённого вещества (или веществ) и продуктов их взаимодействия. В растворе частицы одного вещества равномерно распределены между частицами другого. Примером может служить раствор поваренной соли в воде, где вода является растворителем, а соль (хлорид натрия) — растворённым веществом.

Процесс растворения не является чисто механическим смешением. Согласно гидратной (сольватной) теории растворов, предложенной Д.И. Менделеевым, при растворении происходит химическое взаимодействие между частицами растворителя и частицами растворённого вещества. Продукты этого взаимодействия называются сольватами. Если в качестве растворителя выступает вода, то эти соединения называются гидратами.

Гидраты — это непрочные соединения, которые образуются в результате присоединения молекул воды к частицам (молекулам или ионам) растворённого вещества за счёт электростатических сил или донорно-акцепторных связей. Образование гидратов (гидратация) обычно является экзотермическим процессом, то есть сопровождается выделением теплоты, что служит одним из доказательств химической природы растворения.

Ответ: Раствор — это однородная система, состоящая из растворителя, растворённого вещества и продуктов их взаимодействия. Гидраты — это соединения, образующиеся в результате взаимодействия частиц растворённого вещества с молекулами воды.

2. Как рассчитывается массовая доля растворённого вещества?

Массовая доля растворённого вещества — это величина, показывающая отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора. Массовая доля является безразмерной величиной, но для удобства её часто выражают в процентах.

Расчёт массовой доли, которая обозначается греческой буквой омега ($ \omega $), производится по следующей формуле:
$ \omega = \frac{m_{\text{вещества}}}{m_{\text{раствора}}} $
где $ m_{\text{вещества}} $ — это масса растворённого вещества, а $ m_{\text{раствора}} $ — это общая масса раствора.

Масса раствора вычисляется как сумма масс всех его компонентов, то есть массы растворённого вещества и массы растворителя:
$ m_{\text{раствора}} = m_{\text{вещества}} + m_{\text{растворителя}} $

Чтобы выразить массовую долю в процентах, результат деления умножают на 100%:
$ \omega (\%) = \frac{m_{\text{вещества}}}{m_{\text{раствора}}} \times 100\% $

Ответ: Массовая доля растворённого вещества рассчитывается как отношение массы этого вещества к общей массе раствора по формуле $ \omega = \frac{m_{\text{вещества}}}{m_{\text{раствора}}} $.

3. Найдите массовую долю хлорида Натрия в растворе, полученном при растворении 15 г этой соли в 235 мл воды.

Дано:

$m(NaCl) = 15 \text{ г}$

$V(H_2O) = 235 \text{ мл}$

Найти:

$\omega(NaCl) - ?$

Решение:

Массовая доля вещества в растворе ($\omega$) — это отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора. Формула для расчета:

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

Масса раствора ($m_{раствора}$) складывается из массы растворенного вещества ($m(NaCl)$) и массы растворителя ($m(H_2O)$):

$m_{раствора} = m(NaCl) + m(H_2O)$

1. Найдем массу воды. Плотность воды ($\rho$) при обычных условиях близка к 1 г/мл. Следовательно, массу воды можно рассчитать по формуле:

$m(H_2O) = V(H_2O) \times \rho(H_2O) = 235 \text{ мл} \times 1 \text{ г/мл} = 235 \text{ г}$

2. Найдем общую массу полученного раствора:

$m_{раствора} = m(NaCl) + m(H_2O) = 15 \text{ г} + 235 \text{ г} = 250 \text{ г}$

3. Рассчитаем массовую долю хлорида натрия:

$\omega(NaCl) = \frac{m(NaCl)}{m_{раствора}} = \frac{15 \text{ г}}{250 \text{ г}} = 0.06$

Массовую долю часто выражают в процентах. Для этого полученное значение нужно умножить на 100%:

$\omega(NaCl) = 0.06 \times 100\% = 6\%$

Ответ: массовая доля хлорида натрия в растворе составляет 6%.

4. В автомобильных аккумуляторах используют 36 %-ный раствор серной кислоты. Рассчитайте массы кислоты и воды, необходимые для приготовления 2,5 кг аккумуляторного раствора.

Дано:

$\omega(H_2SO_4) = 36\%$

$m_{раствора} = 2.5 \text{ кг}$

Масса раствора уже дана в килограммах (кг), основной единице массы в системе СИ. Массовую долю, выраженную в процентах, для удобства расчетов следует перевести в безразмерную величину (десятичную дробь): $\omega(H_2SO_4) = 36\% = 0.36$.

Найти:

$m_{кислоты}$ - ?

$m_{воды}$ - ?

Решение:

Массовая доля вещества в растворе ($\omega$) определяется как отношение массы растворенного вещества ($m_{вещества}$) к общей массе раствора ($m_{раствора}$):

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

Из этой формулы мы можем найти массу серной кислоты ($m_{кислоты}$), которая является растворенным веществом:

$m_{кислоты} = \omega(H_2SO_4) \times m_{раствора}$

Подставим известные значения:

$m_{кислоты} = 0.36 \times 2.5 \text{ кг} = 0.9 \text{ кг}$

Раствор состоит из растворенного вещества (кислоты) и растворителя (воды). Таким образом, общая масса раствора равна сумме масс его компонентов:

$m_{раствора} = m_{кислоты} + m_{воды}$

Теперь мы можем рассчитать массу воды ($m_{воды}$), вычитая массу кислоты из общей массы раствора:

$m_{воды} = m_{раствора} - m_{кислоты}$

$m_{воды} = 2.5 \text{ кг} - 0.9 \text{ кг} = 1.6 \text{ кг}$

Ответ: для приготовления 2,5 кг аккумуляторного раствора потребуется 0,9 кг серной кислоты и 1,6 кг воды.

5. В косметике используют 15 %-ный раствор глицерина (плотность $1,26 \text{ г} / \text{см}^3$). Рассчитайте массу глицерина, содержащегося в $250 \text{ мл}$ раствора.

Дано:

Массовая доля глицерина в растворе $\omega = 15\%$

Плотность раствора $\rho_{р-ра} = 1,26 \text{ г/см}^3$

Объем раствора $V_{р-ра} = 250 \text{ мл}$

Найти:

Массу глицерина $m_{глицерина}$

Решение:

1. Для начала определим массу всего раствора. Масса связана с объемом и плотностью по формуле: $m = \rho \cdot V$.

Поскольку $1 \text{ мл} = 1 \text{ см}^3$, объем раствора в кубических сантиметрах равен $250 \text{ см}^3$.

Рассчитаем массу раствора:

$m_{р-ра} = \rho_{р-ра} \times V_{р-ра} = 1,26 \text{ г/см}^3 \times 250 \text{ см}^3 = 315 \text{ г}$

2. Далее, зная массу всего раствора и массовую долю глицерина, можно найти массу чистого глицерина. Массовая доля вещества ($\omega$) определяется как отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора.

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

Выразим из этой формулы массу вещества (глицерина):

$m_{глицерина} = m_{р-ра} \times \omega$

Для вычислений представим массовую долю в виде десятичной дроби: $15\% = 0,15$.

$m_{глицерина} = 315 \text{ г} \times 0,15 = 47,25 \text{ г}$

Ответ: масса глицерина составляет 47,25 г.

6. Для засолки огурцов используют 5 %-ный раствор поваренной соли (плотность $1,1 \text{ г} / \text{см}^3$). Найдите массу и количество вещества соли, необходимые для приготовления 5 л такого раствора.

Дано:

Массовая доля поваренной соли (NaCl) в растворе, $w(\text{NaCl}) = 5\% = 0.05$

Плотность раствора, $\rho = 1.1 \text{ г/см}^3$

Объем раствора, $V = 5 \text{ л}$

Перевод в систему СИ:

$\rho = 1.1 \frac{\text{г}}{\text{см}^3} = 1.1 \cdot \frac{10^{-3} \text{ кг}}{(10^{-2} \text{ м})^3} = 1.1 \cdot \frac{10^{-3}}{10^{-6}} \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} = 1100 \text{ кг/м}^3$

$V = 5 \text{ л} = 5 \text{ дм}^3 = 5 \cdot 10^{-3} \text{ м}^3$

Найти:

Массу соли, $m(\text{NaCl}) - ?$

Количество вещества соли, $n(\text{NaCl}) - ?$

Решение:

1. Найдем массу всего раствора, зная его объем и плотность. Для удобства расчетов переведем объем из литров в кубические сантиметры, учитывая, что $1 \text{ л} = 1000 \text{ мл} = 1000 \text{ см}^3$.

$V = 5 \text{ л} = 5000 \text{ см}^3$

Масса раствора вычисляется по формуле:

$m(\text{раствора}) = \rho \cdot V$

$m(\text{раствора}) = 1.1 \text{ г/см}^3 \cdot 5000 \text{ см}^3 = 5500 \text{ г}$

2. Теперь, зная массу всего раствора и массовую долю соли в нем, найдем массу соли (NaCl).

Массовая доля вещества в растворе определяется как отношение массы вещества к массе раствора:

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

Отсюда выразим массу соли:

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

$m(\text{NaCl}) = 0.05 \cdot 5500 \text{ г} = 275 \text{ г}$

3. Для нахождения количества вещества соли (в молях) необходимо знать ее молярную массу. Поваренная соль — это хлорид натрия (NaCl). Молярная масса NaCl складывается из молярных масс натрия (Na) и хлора (Cl).

$M(\text{Na}) \approx 23 \text{ г/моль}$

$M(\text{Cl}) \approx 35.5 \text{ г/моль}$

$M(\text{NaCl}) = M(\text{Na}) + M(\text{Cl}) = 23 + 35.5 = 58.5 \text{ г/моль}$

Количество вещества находим по формуле:

$n = \frac{m}{M}$

$n(\text{NaCl}) = \frac{m(\text{NaCl})}{M(\text{NaCl})} = \frac{275 \text{ г}}{58.5 \text{ г/моль}} \approx 4.70 \text{ моль}$

Ответ: для приготовления 5 л раствора необходимо 275 г соли, что составляет 4,70 моль вещества.

7. В химической лаборатории используют 35%-ный раствор пероксида водорода. Какую массу 3%-ного аптечного раствора можно приготовить из 1,5 кг раствора пероксида водорода, используемого в лаборатории?

Дано:

Массовая доля пероксида водорода в исходном (лабораторном) растворе $w_1 = 35\%$

Масса исходного раствора $m_1 = 1.5 \text{ кг}$

Массовая доля пероксида водорода в конечном (аптечном) растворе $w_2 = 3\%$

Найти:

Массу конечного раствора $m_2$

Решение:

При приготовлении более разбавленного раствора из более концентрированного путем добавления растворителя (в данном случае, воды) масса растворенного вещества (пероксида водорода) остается неизменной.

1. Сначала найдем массу чистого пероксида водорода в исходном 35%-ном растворе. Массовая доля вещества в растворе определяется по формуле:

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

Отсюда масса растворенного вещества:

$m_{вещества} = w \cdot m_{раствора}$

Выразим массовую долю в долях от единицы: $w_1 = 35\% = 0.35$.

Найдем массу чистого пероксида водорода $(H_2O_2)$ в исходном растворе:

$m(H_2O_2) = w_1 \cdot m_1 = 0.35 \cdot 1.5 \text{ кг} = 0.525 \text{ кг}$

2. Эта масса пероксида водорода $(0.525 \text{ кг})$ будет содержаться в конечном 3%-ном растворе. Теперь мы можем найти общую массу конечного раствора $(m_2)$, зная массу растворенного вещества и его новую концентрацию.

Выразим массу раствора из формулы массовой доли:

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

Выразим массовую долю конечного раствора в долях от единицы: $w_2 = 3\% = 0.03$.

Подставим значения:

$m_2 = \frac{m(H_2O_2)}{w_2} = \frac{0.525 \text{ кг}}{0.03} = 17.5 \text{ кг}$

Таким образом, из 1.5 кг 35%-ного раствора можно приготовить 17.5 кг 3%-ного раствора пероксида водорода.

Ответ: можно приготовить 17.5 кг 3%-ного аптечного раствора.

8. Рассчитайте массовую долю аммиака в растворе, полученном растворением 6,72 л аммиака (н. у.) в 175 мл воды.

Дано:

$V(\text{NH}_3) = 6,72 \text{ л}$ (при н. у.)
$V(\text{H}_2\text{O}) = 175 \text{ мл}$

$V(\text{NH}_3) = 6,72 \times 10^{-3} \text{ м}^3$
$V(\text{H}_2\text{O}) = 175 \times 10^{-6} \text{ м}^3$

Найти:

$\omega(\text{NH}_3) - ?$

Решение:

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

$\omega(\text{вещества}) = \frac{m(\text{вещества})}{m(\text{раствора})} \times 100\%$

Масса раствора ($m(\text{раствора})$) складывается из массы растворителя (воды) и массы растворенного вещества (аммиака).

$m(\text{раствора}) = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{NH}_3)$

1. Найдем массу воды. Плотность воды ($\rho(\text{H}_2\text{O})$) принимаем равной 1 г/мл.
$m(\text{H}_2\text{O}) = V(\text{H}_2\text{O}) \times \rho(\text{H}_2\text{O}) = 175 \text{ мл} \times 1 \text{ г/мл} = 175 \text{ г}$

2. Найдем массу аммиака. Для этого сначала вычислим количество вещества аммиака ($n(\text{NH}_3)$), зная его объем при нормальных условиях (н. у.). Молярный объем газа при н. у. ($V_m$) составляет 22,4 л/моль.
$n(\text{NH}_3) = \frac{V(\text{NH}_3)}{V_m} = \frac{6,72 \text{ л}}{22,4 \text{ л/моль}} = 0,3 \text{ моль}$

3. Вычислим молярную массу аммиака ($M(\text{NH}_3)$). Химическая формула аммиака — $NH_3$.
$M(\text{NH}_3) = M(\text{N}) + 3 \times M(\text{H}) = 14 \text{ г/моль} + 3 \times 1 \text{ г/моль} = 17 \text{ г/моль}$

4. Теперь можем найти массу 0,3 моль аммиака.
$m(\text{NH}_3) = n(\text{NH}_3) \times M(\text{NH}_3) = 0,3 \text{ моль} \times 17 \text{ г/моль} = 5,1 \text{ г}$

5. Определим общую массу полученного раствора.
$m(\text{раствора}) = m(\text{H}_2\text{O}) + m(\text{NH}_3) = 175 \text{ г} + 5,1 \text{ г} = 180,1 \text{ г}$

6. Рассчитаем массовую долю аммиака в растворе.
$\omega(\text{NH}_3) = \frac{m(\text{NH}_3)}{m(\text{раствора})} \times 100\% = \frac{5,1 \text{ г}}{180,1 \text{ г}} \times 100\% \approx 2,83\%$

Ответ: массовая доля аммиака в полученном растворе составляет 2,83%.

9. После упаривания 500 мл 10%-ного раствора карбоната натрия (плотность 1,1 г / мл) его масса уменьшилась на 100 г. Какова массовая доля соли в полученном растворе?

Дано:

Объем исходного раствора карбоната натрия, $V_{раствора\ 1} = 500$ мл

Массовая доля карбоната натрия в исходном растворе, $\omega_1 = 10\%$ или $0,1$

Плотность исходного раствора, $\rho_1 = 1,1$ г/мл

Уменьшение массы раствора (масса испарившейся воды), $m_{воды(исп.)} = 100$ г

Найти:

Массовую долю соли в полученном растворе, $\omega_2$

Решение:

1. Сначала найдем массу исходного 10%-ного раствора карбоната натрия, используя его объем и плотность. Формула для расчета массы:

$m = \rho \cdot V$

Подставим значения:

$m_{раствора\ 1} = 1,1 \text{ г/мл} \cdot 500 \text{ мл} = 550 \text{ г}$

2. Далее рассчитаем массу соли (карбоната натрия), содержащейся в этом растворе. Массовая доля показывает, какую часть от общей массы раствора составляет масса растворенного вещества.

$m_{соли} = m_{раствора\ 1} \cdot \omega_1$

$m_{соли} = 550 \text{ г} \cdot 0,1 = 55 \text{ г}$

При упаривании из раствора удаляется только растворитель (вода), а масса соли остается неизменной.

3. Теперь определим массу раствора после упаривания. По условию, масса исходного раствора уменьшилась на 100 г за счет испарения воды.

$m_{раствора\ 2} = m_{раствора\ 1} - m_{воды(исп.)}$

$m_{раствора\ 2} = 550 \text{ г} - 100 \text{ г} = 450 \text{ г}$

4. Наконец, рассчитаем массовую долю соли в полученном (конечном) растворе. Для этого разделим массу соли на массу конечного раствора.

$\omega_2 = \frac{m_{соли}}{m_{раствора\ 2}}$

$\omega_2 = \frac{55 \text{ г}}{450 \text{ г}} \approx 0,1222$

Для выражения в процентах, умножим полученное значение на 100%:

$\omega_2 = 0,1222 \cdot 100\% = 12,22\%$

Ответ: массовая доля соли в полученном растворе составляет 12,22%.

10. При охлаждении 200 г 5 %-ного раствора перманганата калия выпал осадок перманганата калия массой 4 г. Какова массовая доля соли в полученном растворе?

Дано:

Масса исходного раствора перманганата калия ($m_{р-ра1}$) = 200 г
Массовая доля перманганата калия в исходном растворе ($\omega_1$) = 5 %
Масса выпавшего осадка ($m_{осадка}$) = 4 г

$m_{р-ра1} = 200 \text{ г} = 0.2 \text{ кг}$
$m_{осадка} = 4 \text{ г} = 0.004 \text{ кг}$

Найти:

Массовую долю соли в полученном растворе ($\omega_2$)

Решение:

1. Найдем массу перманганата калия ($m_{соли1}$) в исходном растворе. Для этого воспользуемся формулой массовой доли:

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

Отсюда масса растворенного вещества:

$m_{соли1} = m_{р-ра1} \times \omega_1$

Переведем проценты в доли единицы для расчета: $\omega_1 = 5\% = 0.05$.

$m_{соли1} = 200 \text{ г} \times 0.05 = 10 \text{ г}$

2. При охлаждении часть соли выпала в осадок, поэтому масса растворенной соли и общая масса раствора уменьшились на массу осадка.

Найдем массу соли, оставшуюся в растворе ($m_{соли2}$):

$m_{соли2} = m_{соли1} - m_{осадка} = 10 \text{ г} - 4 \text{ г} = 6 \text{ г}$

Найдем массу конечного раствора ($m_{р-ра2}$):

$m_{р-ра2} = m_{р-ра1} - m_{осадка} = 200 \text{ г} - 4 \text{ г} = 196 \text{ г}$

3. Теперь рассчитаем массовую долю соли в полученном растворе ($\omega_2$):

$\omega_2 = \frac{m_{соли2}}{m_{р-ра2}} \times 100\%$

$\omega_2 = \frac{6 \text{ г}}{196 \text{ г}} \times 100\% \approx 0.03061 \times 100\% \approx 3,06\%$

Ответ: массовая доля соли в полученном растворе составляет примерно 3,06%.

11. Аргументируйте свою точку зрения на процесс растворения на основе физической и химической теорий растворов. Обсудите этот вопрос с одноклассниками.

Процесс растворения является сложным явлением, и для его объяснения исторически сложились две основные теории: физическая и химическая. Моя точка зрения, основанная на современных научных данных, заключается в том, что ни одна из этих теорий в отдельности не может полностью описать все аспекты растворения. Наиболее полным и аргументированным является современный физико-химический подход, который объединяет положения обеих теорий.

Физическая теория растворов

Сторонниками этой теории (С. Аррениус, В. Оствальд, Я. Вант-Гофф) процесс растворения рассматривался как чисто механический процесс. Согласно их взглядам, растворение — это диффузия, то есть равномерное распределение частиц растворяемого вещества между молекулами растворителя. При этом не происходит никакого химического взаимодействия между компонентами раствора. Аргументами в пользу этой теории служат:

• Возможность выделить растворенное вещество в исходном виде путем простого испарения растворителя (например, получение соли из соленой воды).
• Отсутствие строгих стехиометрических соотношений между растворителем и растворяемым веществом, характерных для химических соединений.
• Процессы диффузии и осмоса, которые легко объясняются с точки зрения хаотичного движения частиц.

Однако эта теория не может объяснить наблюдаемые при растворении тепловые эффекты, изменения цвета или объема.

Химическая теория растворов

Создателем этой теории является Д. И. Менделеев. Он утверждал, что растворение — это результат химического взаимодействия между частицами растворяемого вещества и молекулами растворителя. В результате этого взаимодействия образуются нестойкие соединения переменного состава — сольваты (если растворитель — вода, то гидраты). Аргументами в пользу химической природы растворения являются:

• Тепловые эффекты. Растворение многих веществ сопровождается выделением (растворение серной кислоты в воде) или поглощением (растворение нитрата аммония в воде) теплоты, что является признаком химических реакций.
• Изменение цвета. Некоторые безводные соли имеют один цвет, а их водные растворы — другой. Например, безводный сульфат меди(II) ($CuSO_4$) — белого цвета, а его водный раствор и кристаллогидрат ($CuSO_4 \cdot 5H_2O$) — синего. Это свидетельствует об образовании гидратированных ионов меди $[Cu(H_2O)_4]^{2+}$.
• Изменение объема. Объем раствора не всегда равен сумме объемов его компонентов. Например, при смешивании 50 мл воды и 50 мл этанола, итоговый объем будет меньше 100 мл (явление контракции).
• Образование кристаллогидратов. Из растворов многие соли выделяются в виде кристаллов, содержащих определенное количество молекул воды (например, медный купорос $CuSO_4 \cdot 5H_2O$, железный купорос $FeSO_4 \cdot 7H_2O$).

Тем не менее, эта теория не объясняет, почему взаимодействие не приводит к образованию прочных соединений с постоянным составом и почему возможна диффузия.

Современные представления о процессе растворения (физико-химическая теория)

Современная наука объединяет обе точки зрения. Процесс растворения рассматривается как сложный физико-химический процесс, включающий в себя несколько стадий:

1. Физический этап: Разрушение структуры растворяемого вещества (например, кристаллической решетки соли). Этот процесс требует затрат энергии, т.е. он эндотермический ($ΔH_1 > 0$).
2. Химический этап: Взаимодействие частиц растворяемого вещества с молекулами растворителя — сольватация (или гидратация). Этот процесс сопровождается выделением энергии, так как образуются новые связи, т.е. он экзотермический ($ΔH_2 < 0$).
3. Физический этап: Диффузия образовавшихся сольватов (гидратов) по всему объему растворителя, что приводит к образованию гомогенной (однородной) системы — раствора.

Суммарный тепловой эффект растворения ($ΔH_{раств}$) зависит от соотношения энергии, затраченной на разрушение связей, и энергии, выделившейся при сольватации: $ΔH_{раств} = ΔH_1 + ΔH_2$. Если при сольватации выделяется больше энергии, чем тратится на разрушение решетки ($|ΔH_2| > |ΔH_1|$), то процесс в целом экзотермический (раствор нагревается). Если наоборот ($|ΔH_1| > |ΔH_2|$), то процесс эндотермический (раствор охлаждается). Этот подход объясняет все наблюдаемые явления и примиряет обе исторические теории.

При обсуждении этого вопроса с одноклассниками можно предложить проанализировать конкретные примеры растворения различных веществ (например, поваренной соли, сахара, серной кислоты, гидроксида натрия, нитрата калия) и определить, какие физические и химические явления преобладают в каждом конкретном случае.

Ответ: Процесс растворения является сложным физико-химическим явлением. Он включает в себя как физические процессы (разрушение структуры вещества и диффузию частиц), так и химическое взаимодействие между частицами растворяемого вещества и растворителя с образованием сольватов (гидратов). Эта объединенная точка зрения, называемая физико-химической теорией растворов, наиболее полно и точно описывает все наблюдаемые при растворении явления, включая тепловые эффекты, изменения цвета и объема, а также образование кристаллогидратов.

В кулинарных книгах и пособиях по домашнему консервированию нередко предлагается приготовить раствор с заданной массовой долей растворённого вещества. Как это сделать?

Чтобы приготовить раствор с заданной массовой долей растворённого вещества, необходимо выполнить несколько шагов, основанных на понятии массовой доли.

Массовая доля вещества (ω) — это отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора, выраженное в долях единицы или в процентах.

Формула для расчёта массовой доли:

$ω(вещества) = \frac{m(вещества)}{m(раствора)}$

или в процентах:

$ω(вещества) = \frac{m(вещества)}{m(раствора)} \cdot 100\%$

где:

• $m(вещества)$ — масса растворённого вещества (например, соли, сахара, лимонной кислоты).
• $m(раствора)$ — общая масса раствора.

Важно помнить, что масса раствора складывается из массы растворённого вещества и массы растворителя (чаще всего воды):

$m(раствора) = m(вещества) + m(растворителя)$

Алгоритм приготовления раствора:

1. Определите общую массу раствора, которую вам необходимо приготовить ($m(раствора)$). Например, 2 литра рассола. Если плотность раствора близка к плотности воды (1 кг/л), то масса 2 л раствора будет примерно 2 кг.
2. Рассчитайте массу растворённого вещества ($m(вещества)$), которую нужно взять. Для этого используйте формулу, преобразованную из основной:

   $m(вещества) = m(раствора) \cdot ω(вещества)$

   Если массовая доля дана в процентах, не забудьте разделить её на 100:

   $m(вещества) = \frac{m(раствора) \cdot ω(\%)}{100\%}$

3. Рассчитайте массу растворителя (воды), которая потребуется:

   $m(растворителя) = m(раствора) - m(вещества)$

4. Отмерьте и смешайте компоненты. С помощью кухонных весов взвесьте необходимое количество сухого вещества. Затем отмерьте нужный объём или массу воды (для воды 1 г ≈ 1 мл). Смешайте вещество с водой до полного растворения.

Рассмотрим на конкретном примере из кулинарии.

Задача: Приготовить 1,5 кг 8%-го сахарного сиропа для консервирования фруктов.

Дано:

Переведем массу раствора в граммы для удобства расчетов:

Найти:

Решение:

1. Найдём массу сахара, которую необходимо взять для приготовления сиропа. Используем формулу для расчёта массы вещества:

$m(сахара) = \frac{m(раствора) \cdot ω(сахара)}{100\%} = \frac{1500 \text{ г} \cdot 8\%}{100\%} = 120 \text{ г}$

2. Теперь вычислим необходимую массу воды. Для этого из общей массы раствора вычтем найденную массу сахара:

$m(воды) = m(раствора) - m(сахара) = 1500 \text{ г} - 120 \text{ г} = 1380 \text{ г}$

3. Так как плотность воды приблизительно равна 1 г/мл, то 1380 г воды займут объём 1380 мл (или 1,38 л).

Таким образом, для приготовления сиропа нужно взвесить 120 г сахара и отмерить 1380 мл воды, после чего смешать их до полного растворения сахара.

Ответ: для приготовления 1,5 кг 8%-го сахарного сиропа необходимо взять 120 г сахара и 1380 г (1380 мл) воды.