Методическое обеспечение: Макарова Л.Н. Редактор: Гордеева Ю.В. 3D графика: Масагутов К.Х.

Методическое обеспечение: Макарова Л.Н.
Редактор: Гордеева Ю.В.
3D графика: Масагутов К.Х.
Script программирование: Масагутов К.Х.
Управление проектом: Сергиенко Е.В.
Лабораторная работа
Тема: «Способы выражения концентрации растворов»
Раздел: «Растворы»
1. ВВЕДЕНИЕ
Цель работы: 1) Освоение методики приготовления раствора заданной
концентрации методом разбавления;
2) Определение концентрации приготовленного раствора по его
плотности.
2. ТЕОРИЯ
Количественной характеристикой любого раствора является его состав,
который выражается концентрацией.
Концентрация раствора определяет отношение количества (моль) или
массы (г) данного компонента в растворе к массе или объему раствора либо
растворителя.
В химической практике наиболее часто используются следующие
виды выражения концентрации растворов:
1. Массовая доля или процентная концентрация вещества В, ω (B) –
отношение массы данного компонента m (B) к массе всего раствора mр-ра:
(B)  тт
в
или
р  ра
 (B)  тт
в
 100% .
р  ра
Выражается в долях единицы или процентах.
2. Молярная доля или мольная доля вещества B, N(B) - отношение
количества вещества данного компонента - B, содержащегося в растворе, к
общему количеству всех компонентов раствора (  i ):
n
в
N ( B) 

i 1
n
i 1
i
Выражается в долях единицы или процентах.
3. Молярная концентрация вещества B или молярность, С(B) –
отношение количества данного компонента – νB, содержащегося в растворе,
к объёму раствора Vр-ра:
С (B) 
B
V
; B 
р  ра
mB
,
МB
где mB, MB –масса и молярная масса вещества В.
Выражается в моль/л и обозначается буквой М.
4. Молярная концентрация эквивалента вещества B или нормальная
концентрация, Сэ(B) – отношение количества эквивалента данного
компонента– νэ B, содержащегося в растворе, к объёму раствора Vр-ра:
C э (В) 
эв
V р  ра
; эB 
mB
,
MэB
где mв, Мэ в - масса и молярная масса эквивалента вещества B.
Выражается в моль/л или обозначается н.
5. Моляльная концентрация вещества B или моляльность, Cт(B) отношение количества вещества данного компонента - νB, содержащегося в
растворе, к массе растворителя (в кг) mр-ля:
Сm (B) 
Выражается в моль/кг.
B
т р  ля
.
6. Титр раствора по веществу В, Т(В) – отношение массы данного
компонента (в граммах) - mв, содержащегося в растворе, к объёму раствора (в
мл или см3) – Vр-ра:
Т ( В) 
mB
.
V р  ра
Выражается в г/мл или г/см3.
Существует несколько методов приготовления раствора заданной
концентрации, среди них наиболее простым является метод разбавления.
Для приготовления раствора соли с заданной массовой долей (%) из
более концентрированного раствора, надо знать плотность исходного
раствора. Ориентировочное определение процентной концентрации
растворенного вещества в полученном растворе в пределах точности ±0,5%
может быть проведено путем экспериментального измерения плотности
раствора и последующего нахождения концентрации, соответствующей
измеренной плотности, по табличным данным, имеющимся для кислот,
растворимых оснований и большинства солей в справочниках.
Плотность растворов определяется с помощью специальных приборов
– ареометров (денсиметров) – при этом точность определения не превышает
третьего знака после запятой.
Ареометр (рис. 1) представляет собой стеклянный сосуд, состоящий из
двух частей – широкой и узкой. Широкая часть ареометра заполнена дробью, а
на узкую часть нанесена шкала с делениями. Каждому делению соответствует
определенная плотность. Ареометры обычно находятся в комплекте,
позволяющем измерять плотность растворов в широком интервале. Если
ареометр предназначен для измерения плотностей больших, чем измеряемая, то
он тонет в растворе, если наоборот, то жидкость выталкивает его. Поэтому при
измерении плотности жидкости нужно хотя бы ориентировочно знать
плотность исследуемого раствора.
Для измерения плотности жидкость наливают в цилиндр и осторожно
опускают в нее ареометр. Измерение производят, если ареометр свободно
плавает в растворе, не касаясь дна и стенок цилиндра. Плотность раствора
определяется делением шкалы ареометра, до которого он погружается в
раствор. Отсчет производят по нижнему краю мениска. По величине
экспериментально
определенной
плотности
находят
процентную
концентрацию раствора, используя табличные данные.
Если в таблице отсутствует точное значение плотности, определенное
ареометром, применяют метод интерполяции, который заключается в том, что в
узком интервале концентраций зависимость между плотностью и концентрацией
считают линейной. Делают это следующим образом.
Допустим, что плотность раствора хлорида натрия, определенная
ареометром, равна 1,024 г/см3. В таблице 1 имеются значения плотности 1,020
Рис.1. Ареометр
Рис.3. Мерный цилиндр
Рис.2. Воронка аналитическая
Рис.4. Мерная колба
и 1,027 г /см3, которым соответствуют концентрации 3% и 4 %. Следовательно,
при изменении концентрации на 1% плотность изменяется на величину 0,007.
Разность между экспериментально определенной плотностью и ближайшим
меньшим табличным значением составляет (1,024 – 1,020) = 0,004. Составляем
пропорцию и находим поправку к концентрации:
0,007 - 1%
0,004 - х% ,
откуда х = 0,57%.
Таким образом, концентрация полученного раствора хлорида натрия
равна сумме меньшей табличной величины и поправки, найденной методом
интерполяции: 3% + 0,57% = 3,57%.
3. ОБОРУДОВАНИЕ
3.1 Активные клавиши
Рис. 3.1. Функции манипулятора
Левая клавиша мыши (ЛКМ) - при нажатии берется объект (пробирка,
палочка для перемешивания, капельница)
Средняя клавиша мыши (СКМ) - при прокрутке назад (на себя) сцена
отдаляется, при прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.
Правая клавиша мыши (ПКМ) - при нажатии на объект происходит действие
(из капельницы капает вещество, в колбе перемешивается вещество)
Движение мыши:
движение вправо - сцена движется вправо,
движение влево - сцена движется влево,
движение вверх - сцена движется вверх,
движение вниз - сцена движется вниз.
3.2 Лабораторное оборудование
Для проведения лабораторной работы необходимо следующее
оборудование:
 Мерный цилиндр на 100 мл
 Мерная колба
 2 лабораторных бутыли с надписью:
- 16% раствор NaCl
- Вода
 2 капельницы с надписью:
- 16% раствор NaCl
- Вода
Рис. 3.2. Лабораторные бутыли (большие) и капельницы (маленькие)
 Ареометр
 Воронка аналитическая
Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.3). В меню можно
увидеть кнопки увеличения мерного цилиндра и ареометра (на рис. 3.4. А и
Б соответственно для вызова цилиндра и ареометра), кнопки управления
(«Начать заново», «Выход»), окно с подсказками к текущему опыту в
лабораторной работе (количество и порядок добавления веществ в цилиндр),
кнопку для вызова окна настроек (рис. 3.5), в котором можно включить
полноэкранный режим, настроить качество графики. Для выхода из
полноэкранного режима нажать клавишу ESC.
Рис. 3.3. Кнопка вызова бокового меню
Рис.3.4. Боковое меню: А – кнопка для вызова (приближения) цилиндра, Б –
кнопка для вызова (приближения) ареометра
Рис. 3.5. Окно настроек
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Цель работы: 1) освоение методики приготовления раствора заданной
концентрации методом разбавления;
2) определение концентрации приготовленного раствора по его
плотности.
Опыт № 1. Приготовление раствора хлорида натрия
заданной концентрации разбавлением
Рассчитайте, какие объемы исходного раствора и воды необходимы для
приготовления 100 мл раствора хлорида натрия заданной концентрации (пример
расчета см. ниже). Отмерьте рассчитанный объем дистиллированной воды
мерным цилиндром; последние порции воды прибавляйте по каплям из
капельницы. Затем в этот же цилиндр долейте исходного раствора до метки 100
мл; последние порции воды прибавляйте по каплям из соответствующей
капельницы. Уровень жидкости определите по нижнему краю мениска.
Полученный раствор слейте в коническую колбу и тщательно
перемешайте круговыми движениями. Чтобы установить
точную
концентрацию приготовленного раствора, налейте его в мерный цилиндр и
измерьте его плотность с помощью ареометра.
Последовательность действий:
1. В мерный цилиндр вставляем аналитическую воронку
(нажимаем ЛКМ на воронку).
2. Через воронку в мерный цилиндр наливаем 25-27 16%
раствора NaCl (нажатие ЛКМ на большой бутыль);
3. Убираем воронку (нажатие ЛКМ);
4. Поднимаем мерный цилиндр и оставляем его на уровне глаз
(нажатие ЛКМ);
5. Последние порции раствора прибавляем по каплям из
капельницы с надписью «16% раствор NaCl» (нажимаем ЛКМ
на капельницу, чтобы взять ее, и нажимаем ПКМ, чтобы
добавить раствор по каплям)
6. Для приближения цилиндра нажмите на иконку с его
изображением в боковом меню (рис. 3.4. (А));
7. Убираем капельницу с раствором (нажатие ЛКМ);
8. Мерный цилиндр с отмеренным количеством раствора ставим
на стол (нажатие ЛКМ);
9. Вставляем в мерный цилиндр аналитическую воронку
(нажатие ЛКМ);
10. Через воронку в цилиндр наливаем воду из бутыли с
надписью «Вода» до метки 95-97 мл (нажимаем ЛКМ на
бутыль с водой)
11. Убираем воронку (нажатие ЛКМ);
12. Поднимаем мерный цилиндр и оставляем его на уровне глаз
(нажатие ЛКМ);
13. Последние порции воды добавляем из капельницы с
надписью «Вода» (нажимаем ЛКМ, чтобы взять капельницу,
нажимаем ПКМ, чтобы добавить воду по каплям), добавляем
ее до отметки 100 мл;
14. Берем коническую колбу (нажатие ЛКМ);
15. Полученный раствор переливаем в коническую колбу
(нажатие ПКМ на цилиндр), раствор перемешивается и
переливается обратно в цилиндр;
16. Ставим цилиндр на стол (нажатие ЛКМ);
17. Берем ареометр (нажатие ЛКМ на ареометр);
18. Опускаем ареометр в мерный цилиндр с приготовленным
раствором;
19. Для приближения ареометра нажмите на иконку с его
изображением в боковом меню (рис. 3.4. (Б));
Прим. если приближен цилиндр, то для вызова ареометра
необходимо еще раз нажать на иконку с изображением
цилиндра, чтобы убрать его с экрана
20. Измеряем плотность (снимаем показания со шкалы ареометра
по нижнему мениску на голубом фоне воды)
21. По табличным данным, на основе измеренной плотности,
определяем концентрацию полученного раствора.
По измеренной плотности найдите процентную концентрацию хлорида
натрия в растворе (см. табл. 1). В случае отклонения плотности полученного
раствора, определенной ареометром, от табличного значения, используйте метод
интерполяции. Составьте отчет по проделанной работе, включив в него:
 расчет и методику приготовления раствора;
 рисунки ареометра и использованной посуды (рис. 1-4);
 результат определения плотности и процентной концентрации
(массовой доли) приготовленного раствора;
 сравнение полученного значения процентной концентрации раствора с
заданной;
 расчет абсолютной и относительной ошибки приготовления раствора по
формулам:
 абс   зад.  пол. ;  отн   абс. * 100% ;
 зад.
расчет молярной и нормальной концентрации полученного раствора;
 вывод.
Пример расчета.
Какие объемы воды и 18%-ного (по массе) раствора NaCl нужно взять
для приготовления 100 мл 5%-ного (по массе) раствора NaCl.
Решение:
1). Найдем массу 100 мл 5%-ного раствора NaCl. Для этого по табл. 1
определим плотность 5%-ного раствора: ρ = 1,034 г/см3. Масса раствора
составляет 100*1,034=103,4 г.

2). Определим массу NaCl, содержащуюся в 103,4 г этого раствора. Она
равна 5* 103,4 / 100 = 5,17 г.
3). Найдем массу 18% раствора, содержащего 5,17 г NaCl. Она
составляет 5,17*100 /18 = 28,72 г.
4). Рассчитаем объем 18% раствора, предварительно определив по табл.
1 плотность исходного раствора р=1,132 г/см3. Искомый объем исходного
раствора NaCl равен 28,72 /1,132 ≈25,4 мл.
5). Найдем объем Н2О, необходимый для приготовления 100 мл 5%
раствора NaCl. Он составляет 100-25,4 ≈ 74,6 мл.
Ответ: для приготовления 100 мл 5% раствора NaCl требуется 25,4 мл
18% раствора NaCl и 74,6 мл воды.
Таблица 1
Плотность водного раствора хлорида натрия при 20°С
Концентрация,
%
Плотность,
г/см3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
16
18
1,005
1,013
1,020
1,027
1,034
1,041
1,049
1,056
1,063
1,071
1,086
1,101
1,116
1,132
Таблица 2
Варианты лабораторной работы
№
варианта
1
2
3
4
5
6
Концентрация хлорида натрия, %
В исходном
заданная,w2
растворе, w1
6
2
10
4
16
5
10
3
16
2
16
3
Контрольные вопросы
Для специальностей
химического профиля
Для специальностей
нехимического профиля
1
2
3
4
5
6
1
3
7
8
9
10
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ
1. Растворимость нитрата натрия при 30°составляет 40 г на 100 г
раствора. Сколько нужно взять воды, чтобы растворить 10 г этой соли?
2. Рассчитайте нормальность раствора с массовой долей серной
кислоты 20% (ρ = 1,15 г/мл).
3. В воде объемом 450 мл растворили 50 г гидроксида натрия.
Плотность полученного раствора ρ = 1,05 г/мл. Рассчитайте массовую долю
(%), молярность и нормальность полученного раствора.
4. Сколько граммов хлорида аммония необходимо для приготовления
0,2 М раствора объемом 500 мл? Рассчитайте нормальность этого раствора.
5. Рассчитайте молярную концентрацию 0,6 н раствора нитрата бария.
6. Рассчитайте молярную концентрацию раствора, содержащего в 1 л
0,6 моль эквивалента нитрата меди (II ).
7. Сколько мл 2 М раствора серной кислоты потребуется для
приготовления 0,05 М раствора объемом 500 мл?
8. Сколько мл раствора серной кислоты с массовой долей H2SO4 96%
(ρ = 1,84 г/см3 ) нужно взять для приготовления 250 мл 0,5 М раствора?
9. К 1 л 25 % - ной азотной кислоты, плотность которой 1,173 г/см3,
добавили 1 л воды. Вычислите массовую долю (%) азотной кислоты в
полученном растворе.
10. Сколько литров 5%-ного раствора гидроксида калия, плотность
которого 1,054 г/см3, можно приготовить из 150 мл 40%-ного раствора с
плотностью 1,43 г/см3?
6. ОТЧЕТ
6.1 Форма отчета
Цель работы___________________________________________________
_______________________________________________________________
Название опыта_________________________________________________
Ход работы: (краткий конспект)___________________________________
1._____________________________________________________________
2._____________________________________________________________
3._____________________________________________________________
4._____________________________________________________________
и т.д.__________________________________________________________
Используемая посуда и реактивы: (перечислить посуду и реактивы,
которые
используете
в
опыте,
и
зарисовать
рисунок
посуды)_________________________________________________________
________________________________________________________________
Пример расчета:__________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
3.______________________________________________________________
4.______________________________________________________________
5.______________________________________________________________
Сравнение
полученного
значения
процентной
концентрации
раствора
с
заданной______________________________________
Расчет абсолютной и относительной ошибки приготовления раствора с
заданной:_______________________________________________________
Расчет молярной и нормальной концентрации полученного раствора:____
________________________________________________________________
Выводы по работе________________________________________________
1.______________________________________________________________
2.______________________________________________________________
Работу выполнил__________________________________________
Отчет принял_____________________________________________
«____»______________20___г.
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Коровин Н.В. Общая химия. – М.: ВШ, 2004. – 558с.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.: Химия, 2003. – 704с.
3. Севастьянова, Г.К., Карнаухова. Т.М. Общая химия: Курс лекций. – Тюмень:
ТюмГНГУ, 2009. – 212 с.