ПОМІРКУЙТЕ
Зважаючи на знання з хімії та власний досвід, запропонуйте, на які групи можна класифікувати речовини за величиною їхньої розчинності у воді.
За величиною розчинності у воді речовини класифікують на три групи: розчинні (у 100 г води розчиняється понад 1 г речовини), малорозчинні (у 100 г води розчиняється від 0,01 г до 1 г речовини) та практично нерозчинні (у 100 г води розчиняється менше ніж 0,01 г речовини).
ПОМІРКУЙТЕ
Ви знаєте, що відбувається під час додавання цукру в чай і відкривання пляшки газованої води. Чи можна, ґрунтуючись на цьому, спрогнозувати, як відрізняється можливість розчинення твердих і газуватих речовин у воді?
Розчинність твердих речовин, як-от цукру, переважно зростає з підвищенням температури розчинника. Натомість розчинність газуватих речовин зменшується при підвищенні температури або зниженні тиску, що проявляється у виділенні бульбашок газу при відкриванні пляшки або нагріванні води.
ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЕКТУЄМО
Запропонуйте план дослідження для визначення величини розчинності твердої речовини у 100 г води за різних температур, наприклад, за 20 °C та 50 °C. Які чинники впливатимуть на точність експерименту?
План дослідження:
- Налити у дві склянки по 100 г дистильованої води.
- За допомогою водяної бані та термометра встановити у першій склянці температуру 20 °C, а в другій — 50 °C.
- Додавати у кожну склянку порціями заздалегідь зважену наважку речовини, постійно перемішуючи до припинення її розчинення та встановлення динамічної рівноваги (утворення насиченого розчину).
- Визначити масу залишку речовини, що не розчинилася, та шляхом віднімання обчислити масу розчиненої речовини.
- Порівняти отримані результати.
На точність експерименту впливатимуть стабільність температури протягом досліду, точність зважування речовини, чистота використовуваної води та ретельність перемішування розчину.
ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЕКТУЄМО
Що ви спостерігаєте під час нагрівання? Чи можна пояснити це спостереження кипінням?
Під час нагрівання водопровідної води до температури 50–60 °C на стінках посудини з’являються дрібні бульбашки газу. Це явище не є кипінням, оскільки температура води значно нижча за 100 °C; воно пояснюється виділенням розчиненого у воді повітря, розчинність якого падає при підвищенні температури.
ПОМІРКУЙТЕ
Як змінюється тиск газу всередині пляшки газованої води, якщо її відкрити? Чи можна, ґрунтуючись на цьому, визначити залежність розчинності газів від тиску?
При відкриванні пляшки тиск газу всередині різко знижується до рівня атмосферного тиску. Оскільки при цьому спостерігається інтенсивне виділення бульбашок вуглекислого газу з розчину, це підтверджує пряму залежність: розчинність газів у рідинах зменшується зі зниженням тиску і збільшується з його підвищенням.
ПОМІРКУЙТЕ
Як ви вважаєте, чи можливо розчинити речовини більше, ніж межа її розчинності за певної температури?
Так, це можливо за особливих умов, наприклад, при повільному охолодженні гарячого насиченого розчину або при поступовому випаровуванні розчинника без механічних впливів. Такі розчини містять більше розчиненої речовини, ніж це передбачено межею розчинності за даної температури, і називаються пересиченими.
ДОСЛІДЖУЄМО, МОДЕЛЮЄМО, ПРОЕКТУЄМО
Складіть план експерименту одержання насиченого й пересиченого розчинів. Які чинники необхідно врахувати для досягнення мети?
План експерименту:
- Нагріти певну кількість дистильованої води (наприклад, 100 мл) до температури 60–80 °C.
- Додавати порціями обрану сіль (наприклад, натрій ацетат або цукор), постійно перемішуючи, доки речовина не перестане розчинятися і почне осідати на дні. Одержано насичений при високій температурі розчин.
- Відфільтрувати гарячий розчин від надлишку кристалів у чисту та гладку посудину.
- Повільно і обережно охолодити фільтрат до кімнатної температури, уникаючи струшування, потрапляння пилу або сторонніх часток. Якщо кристалізація не розпочалася, одержано пересичений розчин.
- Для перевірки стану розчину кинути в нього маленький кристал цієї ж солі — у пересиченому розчині миттєво розпочнеться швидка кристалізація надлишку речовини.
Чинники, які необхідно врахувати:
- Температура (залежність розчинності від нагрівання).
- Чистота хімічного посуду (відсутність центрів кристалізації).
- Відсутність механічних подразників (вібрацій, перемішування під час охолодження).
- Чистота розчинника та речовини.
РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ
41. Латиною centrum означає «центр, осередок», а з префіксом con- це слово означає «скупчення, зосередження» (сил або засобів). Зважаючи на це, поясніть значення термінів «концентричні (наприклад, кола, окружності)», «концентровані (наприклад, розчини)» та «концентрація (розчинів)».
Термін «концентричні» описує об’єкти (наприклад, кола), що мають спільний центр або осередок. Термін «концентровані» щодо розчинів вказує на велике скупчення або зосередження часток розчиненої речовини в одиниці об’єму розчинника. Термін «концентрація» визначає кількісну міру цього зосередження, тобто показує точний вміст розчиненої речовини в певній масі або об’ємі розчину.
42. Порівняйте поняття, склавши для них діаграми Венна: а) «насичений розчин» і «ненасичений розчин», б) «розбавлений розчин» і «концентрований розчин», в) «розчинна речовина» і «малорозчинна речовина».
а) Насичений та ненасичений розчини:
graph TD
subgraph "Насичений розчин"
A[Містить максимально можливу <br/> кількість речовини за <br/> даної температури]
end
subgraph "Спільне"
B[Гомогенні суміші, <br/> складаються з розчинника <br/> та розчиненої речовини]
end
subgraph "Ненасичений розчин"
C[Речовина може додатково <br/> розчинятися при <br/> незмінних умовах]
end
A --- B
B --- C
б) Розбавлений та концентрований розчини:
graph TD
subgraph "Розбавлений розчин"
A[Мала кількість <br/> розчиненої речовини <br/> відносно розчинника]
end
subgraph "Спільне"
B[Якісні характеристики <br/> вмісту речовини <br/> у розчині]
end
subgraph "Концентрований розчин"
C[Велика кількість <br/> розчиненої речовини <br/> відносно розчинника]
end
A --- B
B --- C
в) Розчинна та малорозчинна речовини:
graph TD
subgraph "Розчинна речовина"
A[Розчиняється понад 1 г <br/> речовини у 100 г води]
end
subgraph "Спільне"
B[Здатність речовин <br/> утворювати розчин <br/> з водою]
end
subgraph "Малорозчинна речовина"
C[Розчиняється від 0,01 г <br/> до 1 г речовини <br/> у 100 г води]
end
A --- B
B --- C
43. За малюнком 5.3 на с. 43 визначте масу солі, яку можна розчинити в 1 кг води: а) аргентум(1+) нітрату за 0 °C; б) натрій нітрату за 20 °C; в) купрум(2+) сульфату за 30 °C; г) плюмбум(2+) хлориду за 100 °C; д) калій нітрату за 10 °C та 50 °C.
Для розрахунку на 1 кг (1000 г) води необхідно показник розчинності зі графіка (який наведений для 100 г води) помножити на 10.
а) Аргентум(I) нітрат ($AgNO_3$) за 0 °C:
Розчинність становить $\approx 122\text{ г}$ на 100 г води.
Маса для 1 кг води: $122 \cdot 10 = 1220\text{ г}$.
б) Натрій нітрат ($NaNO_3$) за 20 °C:
Розчинність становить $\approx 88\text{ г}$ на 100 г води.
Маса для 1 кг води: $88 \cdot 10 = 880\text{ г}$.
в) Купрум(II) сульфат ($CuSO_4$) за 30 °C:
Розчинність становить $\approx 25\text{ г}$ на 100 г води.
Маса для 1 кг води: $25 \cdot 10 = 250\text{ г}$.
г) Плюмбум(II) хлорид ($PbCl_2$) за 100 °C:
Розчинність становить $\approx 4\text{ г}$ на 100 г води.
Маса для 1 кг води: $4 \cdot 10 = 40\text{ г}$.
д) Калій нітрат ($KNO_3$):
- за 10 °C: розчинність $\approx 22\text{ г}$ на 100 г води. Маса для 1 кг води: $22 \cdot 10 = 220\text{ г}$.
- за 50 °C: розчинність $\approx 85\text{ г}$ на 100 г води. Маса для 1 кг води: $85 \cdot 10 = 850\text{ г}$.
РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ
44. За малюнком 5.3 на с. 43 визначте: а) сіль, розчинність якої найменша з-поміж наведених; б) сіль, розчинність якої найбільша за 0 °C та 20 °C; в) сіль, розчинність якої найбільше залежить від температури; г) сіль, розчинність якої найменше залежить від температури.
а) Найменшу розчинність серед наведених солей має плюмбум(II) хлорид ($PbCl_2$).
б) Найбільшу розчинність за температур 0 °C та 20 °C має калій йодид ($KI$).
в) Розчинність калій нітрату ($KNO_3$) найбільше залежить від температури, про що свідчить стрімкий підйом кривої на графіку.
г) Розчинність натрій хлориду ($NaCl$) найменше залежить від температури, оскільки його крива розчинності є майже горизонтальною.
45. За малюнком 5.3 на с. 43 порівняйте розчинність купрум(2+) сульфату та натрій хлориду за температур 20 °C і 80 °C.
За температури 20 °C розчинність натрій хлориду становить приблизно 36 г на 100 г води, що є вищим показником порівняно з розчинністю купрум(II) сульфату, яка становить близько 20 г. За температури 80 °C ситуація змінюється: розчинність купрум(II) сульфату зростає до 55 г і стає значно більшою за розчинність натрій хлориду, яка за цієї температури становить близько 38 г.
46. За малюнком 5.3 на с. 43 визначте, на скільки більше (за масою) калій нітрату можна максимально розчинити в 100 г води за температури 60 °C, ніж за 30 °C.
Відомо:
- $m(H_2O) = 100\text{ г}$
- $S(KNO_3, 60^\circ C) \approx 110\text{ г}$
- $S(KNO_3, 30^\circ C) \approx 45\text{ г}$
Знайти:
- $\Delta m – ?$
Розв’язання:
$\Delta m = S(60^\circ C) – S(30^\circ C)$
$\Delta m = 110 – 45 = 65\text{ г}$
Відповідь: за температури 60 °C можна додатково розчинити 65 г калій нітрату порівняно з температурою 30 °C.
47. Підготуйте презентацію або фотоколаж із зображеннями кристалів (сніжинки, дорогоцінні камені, кристали солей), наявних у світових і українських витворах мистецтва. Поясніть, як умови утворення та хімічний склад упливають на форму і забарвлення кристалів.
Хімічний склад речовини визначає забарвлення кристалів: наприклад, наявність іонів Хрому надає смарагдам зеленого кольору, а рубінам — червоного. Умови утворення, такі як температура та швидкість охолодження, безпосередньо впливають на форму та розмір кристалів: при повільному охолодженні утворюються великі кристали правильної геометричної форми, а при швидкому — дрібні або аморфні структури.
48. За матеріалом параграфа визначте, якими речовинами (розчинними, малорозчинними чи практично нерозчинними) є: а) амоніак; б) вуглекислий газ; в) кисень. Відповіді поясніть.
а) Амоніак є розчинною речовиною, оскільки в 1 л води за температури 0 °C можна розчинити до 1200 л цього газу.
б) Вуглекислий газ є малорозчинною речовиною, бо за аналогічних умов у 1 л води розчиняється лише 0,7 л газу, що в перерахунку на масу становить приблизно 0,14 г на 100 г води.
в) Кисень є практично нерозчинною речовиною, оскільки в 1 л води розчиняється лише 50 мл газу; така маса розчиненої речовини є значно меншою за 0,01 г на 100 г води.
РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)
49. Чому акваріуми з рибами не можна наповнювати кип’яченою водою?
Під час кип’ятіння з води видаляється розчинений у ній кисень, який необхідний рибам для дихання.
50. У воду випадково потрапив бензин. Як його можна відділити від води? Чи буде вода мати запах бензину, якщо розділити рідини: а) відстоюванням; б) дистиляцією?
Бензин можна відділити від води методом відстоювання за допомогою ділильної лійки, оскільки ці рідини не змішуються. У разі розділення відстоюванням вода матиме запах бензину, бо незначна частина його компонентів все одно залишається у воді; після дистиляції запах також може бути присутнім, оскільки леткі сполуки бензину можуть випаровуватися разом із водою.
51. Які з наведених газів — кисень, гідроген хлорид, азот, амоніак, гелій — можна збирати: а) витісненням води; б) лише витісненням повітря? Відповідь поясніть.
а) Витісненням води можна збирати кисень, азот і гелій, оскільки вони мають дуже низьку розчинність у воді.
б) Лише витісненням повітря збирають гідроген хлорид та амоніак, тому що ці гази надзвичайно добре розчиняються у воді (при 0 °C в 1 л води розчиняється 500 л HCl та 1200 л NH₃).
52. У воді за 80 °C розчинили максимальну кількість натрій нітрату. Розчин охолодили до кімнатної температури. Що спостерігатимуть?
Оскільки розчинність натрій нітрату суттєво зменшується зі зниженням температури, під час охолодження спостерігатиметься випадання надлишку солі у вигляді кристалів (процес кристалізації).
53. Під час виготовлення сильногазованої води в одній пляшці води об’ємом 1 л розчиняють приблизно 1600 мл вуглекислого газу. У такій відкритій пляшці в розчиненому стані лишається близько 880 мл вуглекислого газу. Який об’єм вуглекислого газу виділиться в разі відкриття пляшки сильногазованої води об’ємом 1 л? Більше чи менше газ буде виділятися, якщо пляшку заздалегідь охолодити? А якщо пляшка зберігалася в теплому місці?
Відомо:
- $V_{\text{заг}} = 1600 \text{ мл}$
- $V_{\text{зал}} = 880 \text{ мл}$
Знайти:
- $V_{\text{вид}} – ?$
Розв’язання:
$V_{\text{вид}} = V_{\text{заг}} – V_{\text{зал}}$
$V_{\text{вид}} = 1600 – 880 = 720 \text{ мл}$
Відповідь: виділиться 720 мл вуглекислого газу.
Якщо пляшку заздалегідь охолодити, газу виділиться менше, оскільки розчинність газів у рідинах збільшується зі зниженням температури. Якщо пляшка зберігалася в теплому місці, газу виділиться більше, бо з підвищенням температури розчинність газів зменшується.
РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ (РОБОТА В ГРУПАХ)
54. За кімнатної температури у воді об’ємом 1 л максимально розчиняється 6,3 · 10⁻³ моль барій фториду. Обчисліть масу такої кількості речовини барій фториду. Якою речовиною (розчинною, малорозчинною чи практично нерозчинною) є барій фторид?
Відомо:
- $V(\text{H}_2\text{O}) = 1\text{ л}$
- $n(\text{BaF}_2) = 6{,}3 \cdot 10^{-3}\text{ моль}$
- $M(\text{BaF}_2) = 175\text{ г/моль}$
Знайти:
- $m(\text{BaF}_2) – ?$
- Класифікація — ?
Розв’язання:
$m = n \cdot M$
$m = 6{,}3 \cdot 10^{-3} \cdot 175 = 1{,}1025\text{ г}$
Для класифікації за розчинністю необхідно визначити масу речовини, що розчиняється у 100 г (0,1 л) води:
$m(100\text{ г}) = 1{,}1025 \cdot 0{,}1 = 0{,}11025\text{ г}$
Згідно з класифікацією (схема 2), речовини, розчинність яких становить від 0,01 г до 1 г на 100 г води, належать до малорозчинних.
Відповідь: маса барій фториду становить 1,1025 г; речовина є малорозчинною.
55. Чи можна приготувати розчин, що є одночасно: а) і насиченим, і розбавленим; б) і концентрованим, і ненасиченим? Наведіть приклади.
а) Так, такий розчин можна приготувати для малорозчинних речовин; наприклад, насичений розчин кальцій гідроксиду (вапняна вода) є дуже розбавленим через низьку розчинність сполуки.
б) Так, такий розчин можна приготувати для речовин із дуже високою розчинністю; наприклад, розчин, що містить 50 г цукру у 100 г води, є концентрованим (масова частка понад 10%), але залишається ненасиченим, оскільки цукор може розчинятися у значно більшій кількості.
56. За даними, наведеними в параграфі, визначте, чи можна приготувати насичений за 20 °C розчин, використовуючи 10 г води та по 1 г солей: а) кухонної солі; б) калійної селітри; в) крейди.
а) Ні, розчин кухонної солі буде ненасиченим, оскільки за 20 °C у 10 г води може розчинитися до 3,6 г солі.
б) Ні, розчин калійної селітри буде ненасиченим, оскільки за 20 °C у 10 г води розчиняється до 3,2 г цієї солі.
в) Так, розчин крейди буде насиченим, оскільки її розчинність надзвичайно мала (0,0007 г на 100 г води), тому 1 г солі значно перевищує межу розчинності.
57. У воді масою 100 г за 20 °C розчинили кухонну сіль масою 32 г. Чи буде такий розчин: а) насиченим; б) концентрованим?
а) Розчин не буде насиченим, оскільки за 20 °C у 100 г води може розчинитися до 36 г кухонної солі.
б) Розчин буде концентрованим, оскільки масова частка солі в ньому становить понад 10%, що за правилами параграфа дозволяє віднести його до концентрованих.
58. Який об’єм води потрібний для приготування насиченого розчину калій хлориду, що містить 54 г солі, якщо розчинність калій хлориду за цієї температури дорівнює 33 г на 100 г води? Обчисліть масу цього розчину.
Відомо:
- $m(\text{KCl}) = 54\text{ г}$
- $s(\text{KCl}) = 33\text{ г} / 100\text{ г H}_2\text{O}$
Знайти:
- $V(\text{H}_2\text{O}) – ?$
- $m(\text{розчину}) – ?$
Розв’язання:
Масу води ($m_w$) обчислимо за допомогою пропорції:
$33\text{ г KCl} \text{ — } 100\text{ г H}_2\text{O}$
$54\text{ г KCl} \text{ — } m_w\text{ г H}_2\text{O}$
$m_w = \dfrac{54 \cdot 100}{33} \approx 163{,}6\text{ г}$
Враховуючи, що густина води $\rho = 1\text{ г/мл}$, об’єм води $V(\text{H}_2\text{O}) = 163{,}6\text{ мл}$.
Маса розчину дорівнює сумі мас солі та води:
$m(\text{розчину}) = m(\text{KCl}) + m_w$
$m(\text{розчину}) = 54 + 163{,}6 = 217{,}6\text{ г}$
Відповідь: для приготування розчину потрібно 163,6 мл води; маса розчину становить 217,6 г.
РОЗУМІННЯ ЯВИЩ ПРИРОДИ
59. Чи однаковий уміст розчиненого кисню в поверхневих і глибинних водах Північного Льодовитого океану та в океанічних водах поблизу екватора? Аргументуйте свою відповідь.
Уміст розчиненого кисню в цих водах неоднаковий. Розчинність газів у воді збільшується зі зниженням температури та підвищенням тиску. Холодні води Північного Льодовитого океану містять значно більше розчиненого кисню, ніж теплі води поблизу екватора. Також на великих глибинах через високий тиск і низьку температуру здатність води утримувати кисень є вищою, ніж у поверхневих шарах екваторіальних широт.
60. Як ви можете пояснити, чому водні мешканці частіше страждають унаслідок нестачі кисню влітку, ніж узимку?
Улітку температура води підвищується, що призводить до суттєвого зменшення розчинності кисню. Одночасно з цим у мешканців водойм прискорюється обмін речовин, що потребує більшої кількості кисню. Взимку холодна вода здатна утримувати значно більший об’єм розчиненого газу, тому риба та інші організми рідше відчувають його дефіцит.
61. У меді та деяких сиропах із часом з’являється осад кристалічної речовини. Чим це можна пояснити?
Мед і сиропи є пересиченими розчинами цукрів (глюкози, фруктози тощо). У таких розчинах міститься більше розчиненої речовини, ніж може стабільно перебувати за певної температури. З часом надлишок речовини випадає у вигляді кристалічного осаду, перетворюючи систему на стійкий насичений розчин.
62. Чи можна змішати два концентровані розчини тієї самої речовини так, щоб утворився розбавлений? Із чим треба змішати концентрований розчин для одержання розбавленого?
Змішуванням двох концентрованих розчинів одержати розбавлений розчин неможливо, оскільки сумарна концентрація залишиться високою. Для одержання розбавленого розчину необхідно змішати концентрований розчин із великою кількістю чистого розчинника, зазвичай води.
63. У який спосіб розбавлений розчин можна перетворити на концентрований?
Розбавлений розчин можна перетворити на концентрований двома способами: додаванням додаткової порції розчиненої речовини або зменшенням кількості розчинника шляхом його випаровування чи викип’ячування.