Навчальне дослідження 5. Виготовлення водних розчинів із заданими масовими частками розчинених речовин (Григорович)

Зміст

ЗАВДАННЯ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ

Завдання 1. Виготовити розчин солі (будь-якої з наявних у кабінеті хімії безводних солей, наприклад, калій нітрату, натрій хлориду тощо). Необхідну масову частку оберіть самостійно в групі, наприклад, 1 %, 5 % тощо.

Завдання 2. Виготовити розчин забарвленої солі (будь-якої з наявних у кабінеті хімії, наприклад, калій дихромату, купрум(2+) сульфату тощо) об’ємом 50 мл (або іншого об’єму залежно від наявного в кабінеті мірного посуду) розбавленням концентрованого розчину (20 %) водою.

ВИЗНАЧАЄМО НЕБЕЗПЕКИ Й ОЦІНЮЄМО РИЗИКИ

Які небезпечні та проблемні ситуації можуть виникнути під час роботи з названими речовинами та обладнанням? Якими мають бути ваші дії в разі небезпеки?

Під час виконання дослідження можуть виникнути такі ризики:

• Розбиття тонкостінного скляного посуду (піпеток, колб, склянок) і порізи уламками скла.
• Потрапляння розчинів солей важких металів (купрум(II) сульфату або калій дихромату) на відкриту шкіру, в очі чи на одяг.
• Проливання розчинів або потрапляння кристалів солі на металеві частини терезів чи робочий стіл.

Дії в разі виникнення небезпеки:

• Якщо розчин потрапив на шкіру чи в очі, треба негайно промити уражену ділянку великою кількістю проточної води та звернутися до вчителя.
• У разі розбиття скляного посуду заборонено збирати скалки руками — уламки збирають щіткою в совок за присутності вчителя.
• Пролиту рідину або розсипану сіль слід одразу прибрати вологою серветкою чи фільтрувальним папером.

ЕТАПИ РОБОТИ

1. Сформулюйте мету дослідження відповідно до визначеного завдання.

Опанувати методику виготовлення водних розчинів солей із заданою масовою часткою розчиненої речовини двома способами: розчиненням розрахованої маси твердої солі у воді та розбавленням водою концентрованого розчину солі.

2. Складіть план експерименту для реалізації завдань 1 і 2.

• Розрахувати необхідні маси або об’єми речовини й розчинника для обох завдань.
• Підібрати потрібне обладнання (терези, мірний посуд, склянки, скляну паличку).
• Для завдання 1: зважити суху сіль, відміряти мірним циліндром дистильовану воду, змішати їх у склянці та розчинити кристали.
• Для завдання 2: відміряти мірною піпеткою об’єм концентрованого розчину, внести його в мірну колбу та долити дистильовану воду до мітки.
• Порівняти процеси та сформулювати висновки.

3. Виконайте необхідні обчислення та визначте об’єм лабораторного посуду, необхідного вам для роботи.

Дано:

• $m(\text{розчину 1})=100\text{ г}$
• $w(\mathrm{NaCl})=5\%=0,05$
• $V(\text{розчину 2})=50\text{ мл}$
• $w_1(\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4)=20\%=0,20$
• $w_2(\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4)=5\%=0,05$
• $\rho ({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=1\text{ г/мл}$
• ${\rho }_1\approx 1\text{ г/мл}$, ${\rho }_2\approx 1\text{ г/мл}$

Знайти:

• $m(\mathrm{NaCl})-?$
• $V_1({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})-?$
• $V(\text{конц. розчину})-?$
• $V_2({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})-?$

Розв’язання:

1) Обчислення для завдання 1:
$m(\mathrm{NaCl})=w(\mathrm{NaCl})\cdot m(\text{розчину 1})=0,05\cdot 100\text{ г}=5\text{ г}$
$m_1({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=m(\text{розчину 1})-m(\mathrm{NaCl})=100\text{ г}-5\text{ г}=95\text{ г}$
$V_1({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=\frac{m_1({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})}{\rho ({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})}=\frac{95\text{ г}}{1\text{ г/мл}}=95\text{ мл}$
Для виконання завдання 1 потрібні хімічна склянка місткістю $150\text{ мл}$ та мірний циліндр на $100\text{ мл}$.

2) Обчислення для завдання 2:
$m_2(\text{розчину 2})=V(\text{розчину 2})\cdot {\rho }_2=50\text{ мл}\cdot 1\text{ г/мл}=50\text{ г}$
$m(\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4)=m_2(\text{розчину 2})\cdot w_2(\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4)=50\text{ г}\cdot 0,05=2,5\text{ г}$
$m(\text{конц. розчину})=\frac{m(\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4)}{w_1(\mathrm{CuS}{\mathrm{O}}_4)}=\frac{2,5\text{ г}}{0,20}=12,5\text{ г}$
$V(\text{конц. розчину})=\frac{m(\text{конц. розчину})}{{\rho }_1}=\frac{12,5\text{ г}}{1\text{ г/мл}}=12,5\text{ мл}$
$V_2({\mathrm{H}}_2\mathrm{O})=V(\text{розчину 2})-V(\text{конц. розчину})=50\text{ мл}-12,5\text{ мл}=37,5\text{ мл}$
Для виконання завдання 2 потрібні мірна колба місткістю $50\text{ мл}$ та мірна піпетка об’ємом 20 або $25\text{ мл}$.

Відповідь: для завдання 1 потрібно $5\text{ г}$ $\mathrm{NaCl}$ і $95\text{ мл}$ води (посуд: склянка на $150\text{ мл}$, циліндр на $100\text{ мл}$); для завдання 2 потрібно $12,5\text{ мл}$ розчину солі та $37,5\text{ мл}$ води (посуд: мірна колба на $50\text{ мл}$, піпетка на $20-25\text{ мл}$).

4. Приготуйте два розчини відповідно до складеного плану.

Розчин 1 виготовлено так: на вагах відважено $5\text{ г}$ натрій хлориду $\mathrm{NaCl}$, перенесено в склянку, додано $95\text{ мл}$ дистильованої води з мірного циліндра та розчинено сіль за допомогою скляної палички з гумовим наконечником. Утворено прозорий безбарвний розчин.

Розчин 2 виготовлено так: мірною піпеткою відібрано $12,5\text{ мл}$ вихідного 20%-го блакитного розчину купрум(II) сульфату, перенесено в мірну колбу на $50\text{ мл}$, долито дистильовану воду до мітки та акуратно перемішано. Утворено однорідний розчин світло-блакитного кольору.

5. За результатами дослідження зробіть висновки.

Під час дослідження виготовлено два розчини із заданою масовою часткою речовини 5%. Перший спосіб базується на безпосередньому змішуванні розрахованих мас твердої речовини та води, другий — на розбавленні концентрованого розчину менш концентрованим розчинником. Обидва способи дають змогу отримати розчин потрібної концентрації, якщо правильно виконано розрахунки та застосовано мірний посуд відповідного класу точності.

ДЛЯ ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ РОБОТИ ОБГОВОРІТЬ ПИТАННЯ

1. Який спосіб приготування розчину виявився для вас простішим у виконанні й чому?

Простішим виявився спосіб розбавлення концентрованого розчину водою, оскільки він передбачає тільки відмірювання об’ємів рідин мірним посудом і не потребує зважування сухої солі та очікування її повного розчинення.

2. У якому з двох способів отриманий результат був точнішим? Як ви це визначили?

Точнішим був спосіб розбавлення концентрованого розчину в мірній колбі, бо калібрована мірна колба з вузькою шийкою дає змогу виставити кінцевий об’єм із високою точністю за нижнім меніском рідини.

3. Які переваги та недоліки ви виявили для кожного з двох способів виготовлення розчину?

Перший спосіб (із сухої солі) дає змогу виготовити розчин абсолютно будь-якої концентрації без наявності вихідних концентратів, але вимагає точних ваг і часу на розчинення. Другий спосіб (розбавлення) значно швидший і зручніший у роботі, проте обмежується лише тими речовинами, які вже є у вигляді концентрованих розчинів.

4. Поясніть, як впливають похибки вимірювань (маси й об’єму) на точність отриманої концентрації розчину. Як би змінився результат експерименту, якщо б ви помилилися у вимірюванні маси або об’єму хоча б однієї з речовин?

Будь-яка похибка зважування або вимірювання об’єму змінює співвідношення між масою речовини й масою всього розчину. Якщо взяти солі більше або води менше, концентрація розчину зросте; якщо ж узяти солі менше або перелити воду вище мітки, розчин буде більш розбавленим.

5. Чи можна, на вашу думку, приготувати розчин з абсолютно точним значенням масової частки розчиненої речовини? Що заважає досягти абсолютної точності на практиці?

Приготувати абсолютно точний розчин неможливо, оскільки кожен прилад (терези, циліндр, колба) має власну межу похибки вимірювання. Крім того, на точність впливають залишки рідини на стінках посуду, поглинання вологи сіллю з повітря та випаровування води під час змішування.

6. Чому важливо знати точну концентрацію розчинів у побуті та техніці? Наведіть приклади практичного застосування таких розчинів.

Точна концентрація визначає безпеку та ефективність розчину: занижена концентрація не дасть потрібного результату, а завищена може спричинити отруєння чи пошкодження матеріалів. Наприклад, в медицині використовують строго $0,9\%$-й фізіологічний розчин натрій хлориду, у кулінарії застосовують 9%-й розчин оцтової кислоти, а в автомобільних акумуляторах — розчин сульфатної кислоти з чітко заданою густиною.

7. Наведіть приклади життєвих ситуацій, у яких вам знадобилося б використовувати навички приготування розчинів із заданими масовими частками розчинених речовин.

Ці навички потрібні під час розведення оцтової есенції для консервування огірків чи помідорів, виготовлення сольового розчину для полоскання горла, розчинення пральних порошків чи відбілювачів і приготування розчинів мінеральних добрив для кімнатних рослин.

8. Чи можна зробити висновок про масову частку речовини за інтенсивністю забарвлення розчину?

Так, для забарвлених солей за однакової товщини шару рідини темніший і більш насичений колір свідчить про вищу концентрацію розчиненої речовини, а світліший відтінок — про розбавлений стан розчину.