Перейти к содержанию

Глава 11. Упражнения

11.1 Процесс растворения

  1. Чем растворы отличаются от соединений? От других смесей?

  2. Какие из основных характеристик растворов проявляются в растворах \(\ce{K2Cr2O7}\), показанных на рис. 11.2?

  3. При растворении \(\ce{KNO3}\) в воде получаемый раствор оказывается значительно холоднее исходной воды. (a) Растворение \(\ce{KNO3}\) — эндотермический или экзотермический процесс? (b) Какие выводы можно сделать о межмолекулярных взаимодействиях, участвующих в этом процессе? © Является ли получаемый раствор идеальным?

  4. Приведите пример каждого из следующих типов растворов: (a) газа в жидкости; (b) газа в газе; © твёрдого тела в твёрдом теле.

  5. Укажите наиболее важные типы межмолекулярных взаимодействий в каждом из следующих растворов: (a) раствор на рис. 11.2; (b) \(\ce{NO}(l)\) в \(\ce{CO}(l)\); © \(\ce{Cl2}(g)\) в \(\ce{Br2}(l)\); (d) \(\ce{HCl}(g)\) в бензоле \(\ce{C6H6}(l)\); (e) метанол \(\ce{CH3OH}(l)\) в \(\ce{H2O}(l)\).

  6. Предскажите, в каком из растворителей будет лучше растворяться каждое из следующих веществ — в воде (полярный растворитель) или в углеводороде, таком как гептан (\(\ce{C7H16}\), неполярный растворитель): (a) растительное масло (неполярное); (b) изопропиловый спирт (полярный); © бромид калия (ионный).

  7. При образовании одних растворов теплота выделяется, при образовании других — поглощается. Дайте молекулярное объяснение различию между этими двумя типами самопроизвольных процессов.

  8. Растворы водорода в палладии можно получить, выдерживая металлический \(\ce{Pd}\) в атмосфере газообразного \(\ce{H2}\). Концентрация водорода в палладии зависит от давления \(\ce{H2}\), но более сложным образом, чем это описывается законом Генри. При определённых условиях \(0{,}94\ \text{г}\) газообразного водорода растворяется в \(215\ \text{г}\) металлического палладия (плотность раствора \(10{,}8\ \text{г/см}^{3}\)). (a) Определите молярную концентрацию этого раствора. (b) Определите моляльность этого раствора. © Определите массовый процент атомов водорода в этом растворе.

11.2 Электролиты

  1. Объясните, почему ионы \(\ce{Na+}\) и \(\ce{Cl-}\) сильно сольватируются в воде, но не в гексане — растворителе, состоящем из неполярных молекул.

  2. Объясните, почему растворы \(\ce{HBr}\) в бензоле (неполярный растворитель) не проводят электрический ток, а в воде (полярный растворитель) — проводят.

  3. Рассмотрите представленные растворы. (a) Какой из приведённых ниже рисунков лучше всего изображает ионы в растворе \(\ce{Fe(NO3)3}(aq)\)?

    Три стакана (x), (y) и (z) с разными вариантами расположения ионов: в (x) — только тетраэдрические нитрат-ионы (красно-синие группы), свободные катионы железа не показаны; в (y) — то же, но добавлены несколько свободных коричневых ионов железа (явно меньше, чем нужно для электронейтральности); в (z) — нитрат-ионы \(\ce{NO3-}\) и свободные ионы \(\ce{Fe^{3+}}\) в соотношении \(3{:}1\).

    (b) Запишите уравнение реакции растворения \(\ce{Fe(NO3)3}\), расставив коэффициенты.

  4. Сравните процессы, происходящие при растворении в воде метанола (\(\ce{CH3OH}\)), хлороводорода (\(\ce{HCl}\)) и гидроксида натрия (\(\ce{NaOH}\)). Запишите уравнения и сделайте схематические рисунки, показывающие, в каком виде каждое из этих соединений присутствует в соответствующем растворе.

  5. Какова ожидаемая электропроводность следующих растворов? (a) \(\ce{NaOH}(aq)\); (b) \(\ce{HCl}(aq)\); © \(\ce{C6H12O6}(aq)\) (глюкоза); (d) \(\ce{NH3}(aq)\).

  6. Почему большинство твёрдых ионных соединений не проводят электрический ток, тогда как их водные растворы — хорошие проводники? Ожидаете ли вы, что жидкое (расплавленное) ионное соединение будет проводить электрический ток? Поясните ответ.

  7. Укажите наиболее важный тип межмолекулярного взаимодействия, отвечающий за сольватацию в каждом из следующих растворов: (a) растворы на рис. 11.7; (b) метанол \(\ce{CH3OH}\) в этаноле \(\ce{C2H5OH}\); © метан \(\ce{CH4}\) в бензоле \(\ce{C6H6}\); (d) полярный галогенуглеводород \(\ce{CF2Cl2}\) в полярном галогенуглеводороде \(\ce{CF2ClCFCl2}\); (e) \(\ce{O2}(l)\) в \(\ce{N2}(l)\).

11.3 Растворимость

  1. Допустим, вам предложен прозрачный раствор тиосульфата натрия \(\ce{Na2S2O3}\). Как определить, является ли он ненасыщенным, насыщенным или пересыщенным?

  2. Пересыщенные растворы большинства твёрдых веществ в воде готовят охлаждением насыщенных растворов. Пересыщенные растворы большинства газов в воде, напротив, готовят нагреванием насыщенных растворов. Объясните причину различия двух процедур.

  3. Предложите объяснение наблюдениям: этанол \(\ce{C2H5OH}\) полностью смешивается с водой, а этантиол \(\ce{C2H5SH}\) растворяется лишь в количестве \(1{,}5\ \text{г}\) на \(100\ \text{мл}\) воды.

  4. Рассчитайте массовый процент \(\ce{KBr}\) в насыщенном растворе \(\ce{KBr}\) в воде при \(10\ \text{°C}\). Используйте данные рис. 11.16; ответ округлите до одной значащей цифры.

  5. Какой из следующих газов, как ожидается, обладает наибольшей растворимостью в воде? Объясните рассуждения. (a) \(\ce{CH4}\); (b) \(\ce{CCl4}\); © \(\ce{CHCl3}\).

  6. При \(0\ \text{°C}\) и \(1{,}00\ \text{атм}\) в \(1\ \text{л}\) воды может раствориться до \(0{,}70\ \text{г}\) \(\ce{O2}\). Сколько граммов \(\ce{O2}\) растворится в \(1\ \text{л}\) воды при \(0\ \text{°C}\) и \(4{,}00\ \text{атм}\)?

  7. Обратитесь к рис. 11.10. (a) Как изменилась концентрация растворённого \(\ce{CO2}\) в напитке после открытия бутылки? (b) Что вызвало это изменение? © Является ли напиток ненасыщенным, насыщенным или пересыщенным по \(\ce{CO2}\)?

  8. Постоянная закона Генри для \(\ce{CO2}\) равна \(3{,}4 \times 10^{-2}\ \text{М/атм}\) при \(25\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, определите, какое давление диоксида углерода необходимо для поддержания концентрации \(\ce{CO2}\), равной \(0{,}10\ \text{М}\), в банке лимонно-лаймовой газировки.

  9. Постоянная закона Генри для \(\ce{O2}\) равна \(1{,}3 \times 10^{-3}\ \text{М/атм}\) при \(25\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, определите массу кислорода, растворённого в \(40\)-литровом аквариуме при \(25\ \text{°C}\), если атмосферное давление равно \(1{,}00\ \text{атм}\), а парциальное давление \(\ce{O2}\) равно \(0{,}21\ \text{атм}\).

  10. Считая поведение раствора идеальным, определите, сколько литров газообразного \(\ce{HCl}\), измеренных при \(30{,}0\ \text{°C}\) и \(745\ \text{торр}\), необходимо для приготовления \(1{,}25\ \text{л}\) \(3{,}20\)-молярного раствора соляной кислоты.

11.4 Коллигативные свойства

  1. Какие из перечисленных понятий относятся к макроскопической области растворов, а какие — к микроскопической: повышение температуры кипения, закон Генри, водородная связь, ион-дипольное притяжение, молярная концентрация, неэлектролит, нестехиометрическое соединение, осмос, сольватированный ион?

  2. Каково микроскопическое объяснение макроскопического поведения, показанного на рис. 11.14?

  3. Изобразите качественный график зависимости давления пара воды от времени над образцом чистой воды и над раствором сахара по мере того, как жидкости испаряются до половины первоначального объёма.

  4. Раствор нитрата калия — электролита — и раствор глицерина \(\ce{C3H5(OH)3}\) — неэлектролита — оба кипят при \(100{,}3\ \text{°C}\). Какие ещё физические свойства этих двух растворов одинаковы?

  5. Каковы мольные доли \(\ce{H3PO4}\) и воды в растворе, содержащем \(14{,}5\ \text{г}\) \(\ce{H3PO4}\) в \(125\ \text{г}\) воды? (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  6. Каковы мольные доли \(\ce{HNO3}\) и воды в концентрированном растворе азотной кислоты (\(68{,}0\,\%\) \(\ce{HNO3}\) по массе)? (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  7. Рассчитайте мольную долю каждого растворённого вещества и растворителя: (a) \(583\ \text{г}\) \(\ce{H2SO4}\) в \(1{,}50\ \text{кг}\) воды — раствор кислоты, используемый в автомобильном аккумуляторе; (b) \(0{,}86\ \text{г}\) \(\ce{NaCl}\) в \(1{,}00 \times 10^{2}\ \text{г}\) воды — раствор хлорида натрия для внутривенных инъекций; © \(46{,}85\ \text{г}\) кодеина \(\ce{C18H21NO3}\) в \(125{,}5\ \text{г}\) этанола \(\ce{C2H5OH}\); (d) \(25\ \text{г}\) \(\ce{I2}\) в \(125\ \text{г}\) этанола \(\ce{C2H5OH}\).

  8. Рассчитайте мольную долю каждого растворённого вещества и растворителя: (a) \(0{,}710\ \text{кг}\) карбоната натрия (стиральная сода) \(\ce{Na2CO3}\) в \(10{,}0\ \text{кг}\) воды — насыщенный раствор при \(0\ \text{°C}\); (b) \(125\ \text{г}\) \(\ce{NH4NO3}\) в \(275\ \text{г}\) воды — смесь, используемая для приготовления мгновенного пакета со льдом; © \(25\ \text{г}\) \(\ce{Cl2}\) в \(125\ \text{г}\) дихлорметана \(\ce{CH2Cl2}\); (d) \(0{,}372\ \text{г}\) тетрагидропиридина \(\ce{C5H9N}\) в \(125\ \text{г}\) хлороформа \(\ce{CHCl3}\).

  9. Рассчитайте мольные доли метанола \(\ce{CH3OH}\), этанола \(\ce{C2H5OH}\) и воды в растворе, состоящем по массе из \(40\,\%\) метанола, \(40\,\%\) этанола и \(20\,\%\) воды. (Считайте, что данные имеют две значащие цифры.)

  10. В чём различие между \(1\)-молярным (\(1\ \text{М}\)) раствором и \(1\)-моляльным (\(1\ \text{m}\)) раствором?

  11. Какова моляльность фосфорной кислоты \(\ce{H3PO4}\) в растворе, содержащем \(14{,}5\ \text{г}\) \(\ce{H3PO4}\) в \(125\ \text{г}\) воды? (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  12. Какова моляльность азотной кислоты в концентрированном растворе азотной кислоты (\(68{,}0\,\%\) \(\ce{HNO3}\) по массе)? (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  13. Рассчитайте моляльность каждого из следующих растворов: (a) \(583\ \text{г}\) \(\ce{H2SO4}\) в \(1{,}50\ \text{кг}\) воды — раствор кислоты, используемый в автомобильном аккумуляторе; (b) \(0{,}86\ \text{г}\) \(\ce{NaCl}\) в \(1{,}00 \times 10^{2}\ \text{г}\) воды — раствор хлорида натрия для внутривенных инъекций; © \(46{,}85\ \text{г}\) кодеина \(\ce{C18H21NO3}\) в \(125{,}5\ \text{г}\) этанола \(\ce{C2H5OH}\); (d) \(25\ \text{г}\) \(\ce{I2}\) в \(125\ \text{г}\) этанола \(\ce{C2H5OH}\).

  14. Рассчитайте моляльность каждого из следующих растворов: (a) \(0{,}710\ \text{кг}\) карбоната натрия (стиральная сода) \(\ce{Na2CO3}\) в \(10{,}0\ \text{кг}\) воды — насыщенный раствор при \(0\ \text{°C}\); (b) \(125\ \text{г}\) \(\ce{NH4NO3}\) в \(275\ \text{г}\) воды — смесь, используемая для приготовления мгновенного пакета со льдом; © \(25\ \text{г}\) \(\ce{Cl2}\) в \(125\ \text{г}\) дихлорметана \(\ce{CH2Cl2}\); (d) \(0{,}372\ \text{г}\) тетрагидропиридина \(\ce{C5H9N}\) в \(125\ \text{г}\) хлороформа \(\ce{CHCl3}\).

  15. Концентрация глюкозы \(\ce{C6H12O6}\) в нормальной спинномозговой жидкости составляет \(\dfrac{75\ \text{мг}}{100\ \text{г}}\). Какова моляльность этого раствора?

  16. \(13{,}0\,\%\)-ный по массе раствор \(\ce{K2CO3}\) имеет плотность \(1{,}09\ \text{г/см}^{3}\). Рассчитайте моляльность раствора.

  17. Почему \(1\ \text{моль}\) хлорида натрия понижает температуру замерзания \(1\ \text{кг}\) воды почти вдвое сильнее, чем \(1\ \text{моль}\) глицерина?

  18. Считая поведение раствора идеальным, определите температуру кипения раствора, содержащего \(115{,}0\ \text{г}\) нелетучей сахарозы \(\ce{C12H22O11}\) в \(350{,}0\ \text{г}\) воды. (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  19. Считая поведение раствора идеальным, определите температуру кипения раствора, содержащего \(9{,}04\ \text{г}\) \(\ce{I2}\) в \(75{,}5\ \text{г}\) бензола; \(\ce{I2}\) считайте нелетучим. (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  20. Считая поведение раствора идеальным, определите температуру замерзания раствора, содержащего \(115{,}0\ \text{г}\) сахарозы \(\ce{C12H22O11}\) в \(350{,}0\ \text{г}\) воды. (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  21. Считая поведение раствора идеальным, определите температуру замерзания раствора, содержащего \(9{,}04\ \text{г}\) \(\ce{I2}\) в \(75{,}5\ \text{г}\) бензола. (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на следующий вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  22. Считая поведение раствора идеальным, определите осмотическое давление водного раствора, содержащего \(1{,}64\ \text{г}\) \(\ce{Ca(NO3)2}\) в воде при \(25\ \text{°C}\). Объём раствора — \(275\ \text{мл}\). (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  23. Считая поведение раствора идеальным, определите осмотическое давление раствора бычьего инсулина (молярная масса \(5700\ \text{г/моль}\)) при \(18\ \text{°C}\), если \(100{,}0\ \text{мл}\) раствора содержит \(0{,}103\ \text{г}\) инсулина. (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Ответьте на вопрос.

  24. Раствор, содержащий \(5{,}00\ \text{г}\) некоторого соединения в \(25{,}00\ \text{г}\) тетрахлорметана (температура кипения \(76{,}8\ \text{°C}\); \(K_b = 5{,}02\ \text{°C/m}\)), кипит при \(81{,}5\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, определите молярную массу соединения. (a) Опишите последовательность шагов, необходимых для ответа на вопрос. (b) Решите задачу.

  25. Образец органического соединения (неэлектролита) массой \(1{,}35\ \text{г}\) понизил температуру замерзания \(10{,}0\ \text{г}\) бензола на \(3{,}66\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, рассчитайте молярную массу соединения.

  26. \(1{,}0\)-моляльный раствор \(\ce{HCl}\) в бензоле имеет температуру замерзания \(0{,}4\ \text{°C}\). Является ли \(\ce{HCl}\) электролитом в бензоле? Поясните ответ.

  27. Раствор содержит \(5{,}00\ \text{г}\) мочевины \(\ce{CO(NH2)2}\) — нелетучего соединения — в \(0{,}100\ \text{кг}\) воды. Если давление пара чистой воды при \(25\ \text{°C}\) равно \(23{,}7\ \text{торр}\), каково давление пара раствора (в предположении идеального поведения раствора)?

  28. Образец неэлектролита массой \(12{,}0\ \text{г}\) растворили в \(80{,}0\ \text{г}\) воды. Раствор замерзает при \(-1{,}94\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, рассчитайте молярную массу вещества.

  29. Расположите следующие растворы в порядке убывания температуры замерзания: \(0{,}1\ \text{m}\ \ce{Na3PO4}\), \(0{,}1\ \text{m}\ \ce{C2H5OH}\), \(0{,}01\ \text{m}\ \ce{CO2}\), \(0{,}15\ \text{m}\ \ce{NaCl}\) и \(0{,}2\ \text{m}\ \ce{CaCl2}\).

  30. Рассчитайте повышение температуры кипения \(0{,}100\ \text{кг}\) воды, содержащей \(0{,}010\ \text{моль}\) \(\ce{NaCl}\), \(0{,}020\ \text{моль}\) \(\ce{Na2SO4}\) и \(0{,}030\ \text{моль}\) \(\ce{MgCl2}\), считая электролиты полностью диссоциированными и поведение раствора идеальным.

  31. Как приготовить \(3{,}08\)-моляльный водный раствор глицерина \(\ce{C3H8O3}\)? Считая поведение раствора идеальным, определите температуру замерзания этого раствора.

  32. Образец серы массой \(0{,}210\ \text{г}\) растворили в \(17{,}8\ \text{г}\) сероуглерода \(\ce{CS2}\) (\(K_b = 2{,}34\ \text{°C/m}\)). Если повышение температуры кипения составило \(0{,}107\ \text{°C}\), какова формула молекулы серы в сероуглероде (в предположении идеального поведения раствора)?

  33. В одном важном эксперименте, проведённом много лет назад, \(5{,}6977\ \text{г}\) иодида кадмия в \(44{,}69\ \text{г}\) воды повысили температуру кипения на \(0{,}181\ \text{°C}\). О чём это говорит относительно природы раствора \(\ce{CdI2}\)?

  34. Лизоцим — фермент, расщепляющий клеточные стенки. Образец раствора лизоцима объёмом \(0{,}100\ \text{л}\), содержащий \(0{,}0750\ \text{г}\) фермента, проявляет осмотическое давление \(1{,}32 \times 10^{-3}\ \text{атм}\) при \(25\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, определите молярную массу лизоцима.

  35. Осмотическое давление раствора, содержащего \(7{,}0\ \text{г}\) инсулина в литре, равно \(23\ \text{торр}\) при \(25\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, определите молярную массу инсулина.

  36. Осмотическое давление человеческой крови равно \(7{,}6\ \text{атм}\) при \(37\ \text{°C}\). Какая масса глюкозы \(\ce{C6H12O6}\) требуется для приготовления \(1{,}00\ \text{л}\) водного раствора для внутривенного питания, если раствор должен иметь то же осмотическое давление, что и кровь при температуре тела \(37\ \text{°C}\) (в предположении идеального поведения раствора)?

  37. Считая поведение раствора идеальным, определите температуру замерзания раствора дибромбензола \(\ce{C6H4Br2}\) в \(0{,}250\ \text{кг}\) бензола, если раствор кипит при \(83{,}5\ \text{°C}\).

  38. Считая поведение раствора идеальным, определите температуру кипения раствора \(\ce{NaCl}\) в воде, если раствор замерзает при \(-0{,}93\ \text{°C}\).

  39. Сахар фруктоза содержит по массе \(40{,}0\,\%\) C, \(6{,}7\,\%\) H и \(53{,}3\,\%\) O. Раствор \(11{,}7\ \text{г}\) фруктозы в \(325\ \text{г}\) этанола имеет температуру кипения \(78{,}59\ \text{°C}\). Температура кипения этанола — \(78{,}35\ \text{°C}\), \(K_b\) для этанола равно \(1{,}20\ \text{°C/m}\). Считая поведение раствора идеальным, определите молекулярную формулу фруктозы.

  40. Давление пара метанола \(\ce{CH3OH}\) при \(20\ \text{°C}\) равно \(94\ \text{торр}\). Давление пара этанола \(\ce{C2H5OH}\) при той же температуре равно \(44\ \text{торр}\). (a) Рассчитайте мольную долю метанола и этанола в растворе, содержащем \(50{,}0\ \text{г}\) метанола и \(50{,}0\ \text{г}\) этанола. (b) Этанол и метанол образуют раствор, ведущий себя как идеальный. Рассчитайте давление пара метанола и этанола над этим раствором при \(20\ \text{°C}\). © Рассчитайте мольную долю метанола и этанола в паре над раствором.

  41. Тройная точка обезвоздушенной воды определена как \(273{,}16\ \text{К}\). Почему важно, чтобы вода была свободна от воздуха?

  42. Мясо может классифицироваться как свежее (незамороженное), даже если оно хранится при \(-1\ \text{°C}\). Почему мясо не замерзает при такой температуре?

  43. Органическое соединение имеет состав по массе \(93{,}46\,\%\) C и \(6{,}54\,\%\) H. Раствор \(0{,}090\ \text{г}\) этого соединения в \(1{,}10\ \text{г}\) камфоры плавится при \(158{,}4\ \text{°C}\). Температура плавления чистой камфоры — \(178{,}4\ \text{°C}\), \(K_f\) для камфоры равно \(37{,}7\ \text{°C/m}\). Считая поведение раствора идеальным, определите молекулярную формулу растворённого вещества. Приведите расчёты.

  44. Образец \(\ce{HgCl2}\) массой \(9{,}41\ \text{г}\) растворили в \(32{,}75\ \text{г}\) этанола \(\ce{C2H5OH}\) (\(K_b = 1{,}20\ \text{°C/m}\)). Повышение температуры кипения раствора составило \(1{,}27\ \text{°C}\). Является ли \(\ce{HgCl2}\) электролитом в этаноле? Приведите расчёты.

  45. Известно, что некоторая соль — фторид щелочного металла. Быстрое приближённое определение температуры замерзания показывает, что \(4\ \text{г}\) соли, растворённой в \(100\ \text{г}\) воды, дают раствор, замерзающий примерно при \(-1{,}4\ \text{°C}\). Считая поведение раствора идеальным, определите формулу соли. Приведите расчёты.

11.5 Коллоиды

  1. Укажите дисперсную фазу и дисперсионную среду в каждой из следующих коллоидных систем: дисперсия крахмала, дым, туман, жемчуг, взбитые сливки, плавающее мыло, желе, молоко и рубин.

  2. Чем различаются дисперсионные методы и конденсационные методы получения коллоидных систем?

  3. Чем коллоиды отличаются от растворов по размеру дисперсных частиц и по однородности?

  4. Объясните моющее действие мыла.

  5. Каким образом можно показать, что коллоидные частицы электрически заряжены?