Страница 123 - гдз по химии 8 класс учебник Рудзитис, Фельдман

1. Что такое растворы и чем они отличаются от взвесей?

Растворы – это однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух или более компонентов, в которых частицы растворенного вещества (молекулы, атомы, ионы) равномерно распределены в объеме растворителя.

Взвеси – это неоднородные (гетерогенные) системы, состоящие из жидкости или газа, в которых распределены относительно крупные частицы твердого вещества. Взвеси являются одним из видов дисперсных систем.

Основными отличиями растворов от взвесей являются:

• Размер частиц: В растворах частицы растворенного вещества имеют размер на молекулярном или ионном уровне, то есть менее 1 нанометра ($< 1$ нм). В взвесях размер частиц значительно больше, обычно свыше 100 нанометров ($> 100$ нм), и их можно увидеть невооруженным глазом или под микроскопом.
• Однородность: Растворы являются гомогенными. Это означает, что их состав и физические свойства одинаковы в любой точке объема. Взвеси являются гетерогенными, в них существует видимая граница раздела между частицами и средой.
• Устойчивость: Растворы термодинамически устойчивы и могут существовать неограниченно долго без разделения на компоненты. Частицы растворенного вещества не оседают под действием силы тяжести. Взвеси неустойчивы: со временем их частицы оседают на дно (седиментация) или всплывают на поверхность.
• Прозрачность: Истинные растворы, как правило, прозрачны (даже если окрашены), так как их частицы слишком малы, чтобы рассеивать свет. Взвеси обычно мутные или непрозрачные из-за рассеивания света крупными частицами.
• Возможность разделения: Компоненты раствора невозможно разделить механическими методами, такими как фильтрование или отстаивание. Компоненты взвеси легко разделяются отстаиванием, фильтрованием или центрифугированием.

Например, раствор сахара в воде — это раствор, а смесь речного песка с водой — это взвесь.

Ответ: Растворы — это однородные (гомогенные) смеси с частицами размером менее 1 нм, которые устойчивы, прозрачны, и их компоненты нельзя разделить фильтрованием. Взвеси — это неоднородные (гетерогенные) смеси с частицами размером более 100 нм, которые неустойчивы (частицы оседают), непрозрачны, и их компоненты можно разделить фильтрованием или отстаиванием.

2. Какие смеси называют суспензиями и эмульсиями? Приведите примеры эмульсий и суспензий.

Суспензии

Суспензиями, или взвесями, называют гетерогенные (неоднородные) смеси, в которых мелкие частицы твердого вещества распределены в объеме жидкости. Ключевой особенностью суспензий является их неустойчивость: со временем твердые частицы под действием силы тяжести оседают на дно (седиментируют) или, если их плотность меньше плотности жидкости, всплывают на поверхность. Частицы в суспензиях достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Отделить твердую фазу от жидкой можно путем отстаивания или фильтрования.

Примеры суспензий: взвесь глины или песка в воде (мутная речная вода), побелка (смесь гашеной извести с водой), многие краски (например, водоэмульсионная), некоторые лекарственные препараты, которые необходимо взбалтывать перед применением, свежевыжатый сок с мякотью, строительные растворы (цемент в воде).

Эмульсии

Эмульсиями называют гетерогенные (неоднородные) системы, состоящие из двух взаимно нерастворимых (несмешивающихся) жидкостей. В такой системе одна жидкость (дисперсная фаза) распределена в виде мельчайших капелек в другой жидкости (дисперсионной среде). Как и суспензии, эмульсии являются неустойчивыми и со временем расслаиваются на составляющие их жидкости. Для придания им устойчивости используют специальные вещества — эмульгаторы. Эмульсии часто имеют мутный, молочный вид.

Примеры эмульсий: молоко (капельки молочного жира в воде), майонез (капельки растительного масла в водном растворе, где эмульгатором выступает лецитин яичного желтка), сливочное масло, маргарин, косметические кремы и лосьоны, сырая нефть, лимфа.

Ответ: Суспензии — это неоднородные смеси, в которых твердые частицы распределены в жидкости (например, смесь глины и воды). Эмульсии — это неоднородные смеси, состоящие из капелек одной жидкости, распределенных в другой, не смешивающейся с ней жидкости (например, молоко, представляющее собой капельки жира в воде).

3. Что такое растворимость? Какая существует зависимость между изменением температуры и растворимостью твёрдых и газообразных веществ?

Растворимость — это способность одного вещества, называемого растворяемым веществом, образовывать с другим веществом, называемым растворителем, гомогенную (однородную) систему — раствор.

В количественном отношении растворимость — это мера, показывающая, какая максимальная масса вещества может раствориться в определённом объёме или массе растворителя при заданных условиях (температуре и давлении). Обычно её выражают в граммах вещества на 100 г растворителя ($г/100 \text{ г}$). Раствор, содержащий максимально возможное количество растворённого вещества при данной температуре, называется насыщенным. Если вещества растворено меньше этого предела, раствор является ненасыщенным.

Зависимость растворимости от температуры для твёрдых и газообразных веществ принципиально различна, что определяется тепловым эффектом процесса растворения и описывается принципом Ле Шателье.

Зависимость для твёрдых веществ

Для подавляющего большинства твёрдых веществ их растворимость в жидкостях увеличивается с повышением температуры. Это объясняется тем, что процесс растворения для них чаще всего является эндотермическим, то есть протекает с поглощением теплоты. Согласно принципу Ле Шателье, при нагревании системы равновесие смещается в сторону того процесса, который противодействует этому изменению, то есть в сторону поглощения тепла. Следовательно, растворимость возрастает.

Пример: В горячем чае можно растворить гораздо больше сахара, чем в холодном.

Однако существуют и исключения. Растворимость некоторых соединений, например, гидроксида кальция ($Ca(OH)_2$) или сульфата церия ($Ce_2(SO_4)_3$), наоборот, уменьшается с ростом температуры, так как их растворение — процесс экзотермический (происходит с выделением тепла).

Зависимость для газообразных веществ

Растворимость всех газов в жидкостях уменьшается с повышением температуры. Процесс растворения газа всегда является экзотермическим, так как молекулы газа, переходя в раствор, теряют часть своей кинетической энергии, которая выделяется в виде теплоты. При нагревании раствора, согласно тому же принципу Ле Шателье, равновесие смещается в сторону эндотермического процесса — то есть в сторону выхода газа из раствора.

Пример: Газированные напитки при нагревании теряют углекислый газ (становятся "негазированными"), так как его растворимость в воде падает с ростом температуры.

Ответ: Растворимость — это способность вещества растворяться в растворителе с образованием однородной системы, а также количественная мера этой способности. С повышением температуры растворимость большинства твёрдых веществ увеличивается, в то время как растворимость всех без исключения газов — уменьшается.

4. При открывании бутылки с лимонадом наблюдается бурное выделение газа. Чем это можно объяснить?

Наблюдаемое бурное выделение газа при открывании бутылки с лимонадом объясняется законами физики, в частности, зависимостью растворимости газов в жидкостях от давления.

Лимонад и другие газированные напитки содержат углекислый газ ($CO_2$), растворенный в воде под высоким давлением. В процессе производства напиток насыщают углекислым газом при давлении, значительно превышающем атмосферное, и герметично закупоривают бутылку. Согласно закону Генри, растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над жидкостью. Высокое давление внутри закрытой бутылки позволяет растворить большое количество $CO_2$ в напитке, создавая стабильное состояние.

Когда мы открываем бутылку, давление над поверхностью жидкости резко падает до уровня атмосферного. Из-за этого резкого снижения давления растворимость углекислого газа в лимонаде также резко уменьшается. Раствор становится пересыщенным, и "избыточный" углекислый газ, который больше не может удерживаться в растворенном состоянии, начинает активно выделяться из жидкости в виде многочисленных пузырьков. Этот процесс мы и наблюдаем как шипение и бурное вспенивание.

Ответ: Бурное выделение газа происходит из-за резкого понижения давления при открывании бутылки. Это приводит к уменьшению растворимости углекислого газа в напитке, и его избыток выходит из жидкости в виде пузырьков.

5. По приведённым данным постройте график зависимости растворимости сахара в воде от температуры.

Температура: $0^\circ C$, $20^\circ C$, $50^\circ C$, $80^\circ C$, $100^\circ C$

Растворимость, г/100 г воды: 181,9, 201,9, 259,6, 365,1, 476

Дано:

Таблица зависимости растворимости сахара (сахарозы) в воде от температуры:

Переведем данные в систему СИ (хотя для построения графика удобнее использовать исходные единицы):

• Температура ($T$) в Кельвинах ($K$): $T(K) = T(°C) + 273,15$
  • $T_1 = 0 °C = 273,15 K$
  • $T_2 = 20 °C = 293,15 K$
  • $T_3 = 50 °C = 323,15 K$
  • $T_4 = 80 °C = 353,15 K$
  • $T_5 = 100 °C = 373,15 K$
• Растворимость ($S$) в кг/кг (безразмерная величина, т.к. масса/масса):
  • $S_1 = 181,9 \text{ г}/100 \text{ г} = 1,819$
  • $S_2 = 201,9 \text{ г}/100 \text{ г} = 2,019$
  • $S_3 = 259,6 \text{ г}/100 \text{ г} = 2,596$
  • $S_4 = 365,1 \text{ г}/100 \text{ г} = 3,651$
  • $S_5 = 476 \text{ г}/100 \text{ г} = 4,76$

Найти:

Построить график зависимости растворимости сахара ($S$) от температуры ($T$).

Решение:

Для построения графика зависимости растворимости сахара от температуры необходимо выполнить следующие шаги:

1. Выбрать оси координат. По оси абсцисс (горизонтальная ось, X) отложим независимую переменную — температуру ($T$) в градусах Цельсия (°C). По оси ординат (вертикальная ось, Y) отложим зависимую переменную — растворимость ($S$) в граммах на 100 г воды (г/100 г воды).
2. Выбрать масштаб.
   • Для оси температур (X) выберем диапазон от 0°C до 100°C. Удобно взять цену деления 20°C.
   • Для оси растворимости (Y) значения находятся в диапазоне от 181,9 до 476. Выберем диапазон от 0 до 500 г/100 г воды. Удобно взять цену деления 100 г/100 г воды.
3. Нанести на координатную плоскость точки, соответствующие данным из таблицы:
   • (0; 181,9)
   • (20; 201,9)
   • (50; 259,6)
   • (80; 365,1)
   • (100; 476)
4. Соединить полученные точки плавной линией, так как растворимость является непрерывной функцией температуры.

Ниже представлен график, построенный по этим данным.

Ответ:

График зависимости растворимости сахара от температуры построен и представлен выше. Он наглядно демонстрирует, что с ростом температуры растворимость сахара в воде значительно увеличивается, что является типичным свойством для большинства твердых веществ. График представляет собой восходящую кривую.

6. В 500 г раствора, насыщенного при 20°С, содержится 120 г нитрата калия. Определите растворимость этой соли.

Дано:

Масса насыщенного раствора нитрата калия, $m_{раствора} = 500 \text{ г}$

Масса нитрата калия в растворе, $m_{соли} = 120 \text{ г}$

Температура, $T = 20^\circ \text{C}$

Найти:

Растворимость нитрата калия ($S$)

Решение:

Растворимость вещества (или коэффициент растворимости) – это максимальное количество граммов вещества, которое может раствориться в 100 г растворителя при данной температуре для образования насыщенного раствора.

1. Сначала найдем массу растворителя (предполагая, что это вода) в данном растворе. Общая масса раствора является суммой масс растворенного вещества (соли) и растворителя.

$m_{раствора} = m_{соли} + m_{растворителя}$

Выразим отсюда массу растворителя:

$m_{растворителя} = m_{раствора} - m_{соли}$

Подставим известные значения:

$m_{растворителя} = 500 \text{ г} - 120 \text{ г} = 380 \text{ г}$

Это означает, что для получения данного насыщенного раствора при 20°C в 380 г воды было растворено 120 г нитрата калия.

2. Теперь рассчитаем растворимость ($S$), то есть массу соли, которая растворится в 100 г воды. Для этого составим пропорцию:

в 380 г воды растворяется 120 г соли,

в 100 г воды растворяется $S$ г соли.

Из пропорции находим $S$:

$S = \frac{120 \text{ г} \times 100 \text{ г}}{380 \text{ г}} = \frac{12000}{380} \text{ г} \approx 31.58 \text{ г}$

Следовательно, растворимость нитрата калия при 20°C составляет примерно 31.58 г на 100 г воды.

Ответ: растворимость нитрата калия составляет 31.58 г/100 г воды.

1. Укажите верное утверждение.

1) Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называют насыщенным.

2) Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называют ненасыщенным.

Для выбора верного утверждения необходимо проанализировать предложенные варианты, основываясь на определениях типов растворов.

1) Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называют насыщенным.

Это утверждение является верным. По определению, насыщенный раствор — это такой раствор, который содержит максимальное количество растворенного вещества, способное раствориться в данном растворителе при конкретной температуре. В этом состоянии достигается термодинамическое равновесие: скорость растворения вещества равна скорости его кристаллизации. Поэтому дальнейшее добавление растворяемого вещества не приводит к увеличению его концентрации в растворе.

2) Раствор, в котором данное вещество при данной температуре больше не растворяется, называют ненасыщенным.

Это утверждение является неверным. Оно содержит логическое противоречие. Ненасыщенный раствор — это раствор, в котором концентрация растворенного вещества меньше, чем в насыщенном, и в котором, следовательно, еще можно растворить дополнительное количество этого вещества при тех же условиях. Описание в утверждении ("вещество... больше не растворяется") характеризует именно насыщенный раствор.

Таким образом, правильным является первое утверждение.

Ответ: 1.

2. Морская вода — это

1) раствор

2) суспензия

3) эмульсия

Морская вода — это

Для того чтобы определить, чем является морская вода, необходимо рассмотреть определения каждого из предложенных вариантов.

• Раствор — это однородная (гомогенная) смесь, состоящая из растворителя (в данном случае воды) и растворенных в нем веществ (солей, газов). В растворе частицы растворенного вещества распределены равномерно и имеют размер молекул или ионов, поэтому их невозможно увидеть невооруженным глазом, и они не оседают со временем.
• Суспензия — это неоднородная (гетерогенная) смесь, в которой мелкие твердые частицы взвешены в жидкости, но не растворены в ней. Со временем эти частицы оседают под действием силы тяжести. Примером может служить смесь песка и воды.
• Эмульсия — это неоднородная (гетерогенная) смесь двух или более несмешивающихся жидкостей. В эмульсии капельки одной жидкости распределены в другой. Классический пример — смесь масла и воды.

Морская вода по своему основному составу — это вода, в которой растворено большое количество различных солей (главным образом хлорид натрия, $NaCl$) и газов. Соли в воде находятся в виде ионов (например, $Na^+$ и $Cl^-$), которые равномерно распределены по всему объему. Это делает морскую воду однородной системой, то есть раствором. Хотя в реальных условиях в морской воде могут содержаться и нерастворимые примеси (ил, песок, микроорганизмы), придающие ей признаки суспензии, ее фундаментальная характеристика — это наличие растворенных солей.

Исходя из этого, наиболее точной классификацией для морской воды является раствор.

Ответ: 1) раствор.

3. Смесь растительного масла с водой называют __________.

Смесь растительного масла с водой называют эмульсией.

Эмульсия — это дисперсная система, состоящая из двух или более несмешивающихся жидкостей. В данном случае одна жидкость (масло, являющееся дисперсной фазой) распределена в виде мельчайших капелек в другой жидкости (воде, являющейся дисперсионной средой).

Причина, по которой масло и вода не смешиваются, заключается в различии их молекулярных свойств. Молекулы воды ($H_2O$) являются полярными, то есть у них есть положительно и отрицательно заряженные части. Молекулы растительного масла (в основном триглицериды) — неполярные. По общему правилу «подобное растворяется в подобном», полярные вещества смешиваются с полярными, а неполярные — с неполярными.

Если просто налить масло в воду, оно образует отдельный слой на поверхности, так как его плотность меньше плотности воды. При интенсивном встряхивании этой смеси образуется мутная жидкость — эмульсия типа «масло в воде». Однако такая эмульсия является термодинамически неустойчивой и со временем самопроизвольно расслаивается обратно на масло и воду. Для получения стабильной эмульсии необходимо добавить третье вещество — эмульгатор (например, яичный желток или мыло).

В более общем смысле такую смесь также можно назвать неоднородной (гетерогенной) смесью, поскольку она состоит из нескольких фаз, имеющих видимую границу раздела.

Ответ: эмульсией.