Хімія. 9 клас. Ярошенко

§ 8. Кристалогідрати. Розв’язування задач на приготування розчинів із кристалогідратів

Опанувавши матеріал параграфа, ви зможете:

  • наводити приклади кристалогідратів;
  • з'ясувати особливості кристалогідратів;
  • обчислювати відносну молекулярну та молярну маси кристалогідратів.

Як було зазначено в попередньому параграфі, частинки розчиненої речовини утворюють з полярними молекулами води гідрати. Більшість із них є нестійкими сполуками й після випарювання розчину розпадаються. Тобто електростатичне притягання між частинками розчиненої речовини й розчинника втрачається. Після повного випаровування води залишаються кристали речовини, яку розчиняли (якщо це була речовина кристалічної будови).

ПОНЯТТЯ ПРО КРИСТАЛОГІДРАТИ. В окремих речовин зв'язок гідратованих йонів з молекулами води досить міцний і не руйнується навіть під час випарювання розчину. Гідратовані йони зберігають зв'язок з молекулами води й у кристалічному стані. Такі речовини називають кристалогідратами, а утримувану в них воду — кристалізаційною.

Кристалогідрати — кристалічні речовини, кристалічна ґратка яких містить гідратовані йони. Склад кристалогідратів передають за допомогою формул розчиненої речовини й води, між якими ставлять крапку, а перед формулою води коефіцієнтом зазначають кількість її молекул.

Так, у мідного купоросу кристалічна ґратка містить гідратовані йони Купруму, кожний з яких оточений 5 молекулами води. Тож формулу мідного купоросу слід записувати не CuSO4, а CuSO4 · 5Н2О (читається «купрум-два-сульфат на п'ять аш-два-о»). Речовина має тривіальну назву мідний купорос, а за міжнародною номенклатурою, розробленою Міжнародним союзом теоретичної та практичної хімії (ІЮПАК), назва цього кристалогідрату — купрум(ІІ) сульфат пентагідрат.

Пригадайте з 8 класу, що називають кристалічною ґраткою, які види кристалічних ґраток існують.

Як бачимо, назва складається з трьох слів. Перше слово — назва катіону із зазначеною змінною валентністю; друге — загальна назва солей сульфатної кислоти; третє слово утворене з префікса пента (грецька назва числа 5) і кореня гідрат, що вказує на наявність води.

Про те, що безводний купрум(ІІ) сульфат й утворений з нього кристалогідрат — різні речовини, свідчить хоча б той факт, що безводний купрум(ІІ) сульфат має білий колір, тоді як мідний купорос — блакитний (мал. 13).

Мал. 13. Добування мідного купоросу

До гідратації схильні катіони Купруму, Мангану, Цинку, Кобальту, Магнію, Кальцію. Утворені катіонами Купруму, Мангану, Кобальту гідратовані йони, на відміну від тих, щоб містяться в безводній речовині, мають інший колір. З одним із прикладів ви щойно ознайомилися. Ще один приклад чекає на вас у рубриці «Хімія — це життя: сторінка природодослідника» в кінці параграфа.

Кристалогідрати утворюються за умови, якщо випарювання розчину здійснювалося за помірної температури й було припинено, щойно вода випарувалася. Якщо ж утворений кристалогідрат (мідний купорос) піддати подальшій термічній дії, кристалізаційна вода з нього випарується, і він перетвориться на безводну речовину білого кольору (мал. 14).

Мал. 14. Взаємоперетворення мідного купоросу й купрум(ІІ) сульфату

Кристалогідратами є багато природних мінералів (мал. 15). Трапляються кристалогідрати, у яких на одну формульну одиницю речовини припадає від 1 до 12 молекул води, проте найбільш поширеними є кристалогідрати з 2, 4, 6, 8 молекулами води.

Мал. 15. Природні кристалогідрати: а — гіпс; б — лимонна кислота; в — мідний купорос; г — залізний купорос

Незважаючи на твердий агрегатний стан кристалогідратів, у них за кімнатної температури містяться молекули води. Таку воду називають кристалізаційною. При нагріванні ця вода втрачається.

Хімія — це життя: сторінка природодослідника

Під час проведення позакласного заходу з хімії можете провести цікавий дослід за таким описом. На фільтрувальний папір наносять певний малюнок чи пишуть формули розчином кобальт(ІІ) хлорид гексагідрату CoCl2 · 6H2O, що має рожевий колір, і дають йому просохнути. Зображення стає майже непомітним. Після обережного нагрівання над полум'ям спиртівки (щоб папір не загорівся) кристалізаційна вода випаровується, і на папері залишається безводна сіль, а вона має яскраво-синій колір. Тож зображення знову стає виразним, хоча вже іншого кольору.

Стисло про основне

• Кристалогідрати можна розглядати як продукти хімічної взаємодії розчиненої речовини з водою, виділені з розчину помірним випарюванням.

• Кристалізаційною називають воду, яка входить до складу кристалів твердої речовини.

• Якщо після випаровування води нагрівання кристалогідрату продовжувати, то врешті-решт кристалізаційна вода випаровується й залишиться безводна сполука.

• У розчині солі, виготовленому з кристалогідрату, розчиненою речовиною вважається безводна сіль. Кристалізаційна вода поповнює масу розчинника.

Сторінка ерудита

ВІДНОСНА МОЛЕКУЛЯРНА ТА МОЛЯРНА МАСИ КРИСТАЛОГІДРАТІВ. Відносну молекулярну та молярну масу кристалогідратів обчислюють за загальними правилами, а крапка перед формулою води означає не дію множення, а дію додавання, наприклад:

Mr(Na2SO4 · 10Н2О) = 2 · Αr(Na) + Ar(S) + 4 · Ar(O) +10 · Mr(H2O), або Мr(Nа24 · 10Н2О) = 2 · Ar(Na) + Ar(S) + 4Ar(O) + 10 · 2 · Аr(Н) + 10 · Ar(O) = 2 · 23 + 32 + 4 · 16 + 10 · 2 · 1 + 10 · 16 = 322.

Молярна маса (M) кристалогідрату (Na2SO4 · 10Н2О) = 322 г/моль.

ОБЧИСЛЕННЯ МАСОВОЇ ЧАСТКИ Й МАСИ РОЗЧИНЕНОЇ РЕЧОВИНИ В РОЗЧИНІ, ВИГОТОВЛЕНОМУ З КРИСТАЛОГІДРАТУ. Усім вам добре відомий із проведених у 7-9 класах дослідів розчин купрум(ІІ) сульфату. Його готують не з безводної солі, а з її кристалогідрату — мідного купоросу. І коли постає необхідність дізнатися про масову частку чи масу розчиненої речовини в розчині, проводять обчислення на зразок поданих у розв'язаннях до задач 1 і 2.

Задача 1. Обчисліть масову частку купрум(ІІ) сульфату в розчині, виготовленому з мідного купоросу масою 10 г і води об'ємом 190 мл.

Розв'язання

1. Обчислимо відносну молекулярну та молярну масу кристалогідрату:

Mr (CuSO4 · 5H2O) = 64 + 32 + 4 · 16 + 5(1 + 16) = 250;

M (CuSO4 · 5H2O) = 250 г/моль.

Важливо розуміти, що 1 моль кристалогідрату складається з 1 моль безводного купрум(ІІ) сульфату й 5 моль води.

2. Відповідно до цього обчислимо кількість речовини купрум(ІІ) сульфату в мідному купоросі масою 25 г.

2, а. Спершу обчислимо кількість речовини кристалогідрату в його порції масою 25 г:

v = 25 : 250 = 0,1 (моль).

2. б. З формули кристалогідрату бачимо, що v (CuSO4) = v (CuSO4 x 5H2O) = 0,1 моль.

3. Обчислимо масу купрум(ІІ) сульфату кількістю речовини 0,1 моль (саме стільки солі є в розчині):

m (CuSO4) = v · М = 0,1 моль · 160 г/моль = 16 г.

4. Обчислимо масу розчину.

Оскільки жоден продукт реакції не покинув об'єм реагуючої суміші, то маса виготовленого розчину — це сума мас мідного купоросу та води:

25 г + 175 г = 200 г.

5. Обчислимо масову частку купрум(ІІ) сульфату в розчині, виготовленому з кристалогідрату:

ω (CuSO4) = 16 : 200 = 0,08, або 8 %.

ОБЧИСЛЕННЯ МАСИ КРИСТАЛОГІДРАТУ, ВЗЯТОГО ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ РОЗЧИНУ.

Задача 2. Обчисліть масу мідного купоросу та об'єм води, необхідних для виготовлення розчину купрум(ІІ) сульфату масою 120 г з масовою часткою розчиненої речовини 12 %.

Розв'язання

1. За відомою масою розчину й масовою часткою розчиненого купрум(ІІ) сульфату обчислимо масу цієї солі:

m (CuSО4) = 0,12 · 120 = 14,4 (г).

2. Обчислимо кількість речовини купрум(ІІ) сульфату:

v = m : М = 14,4 : 160 = 0,09.

3. Обчислимо масу порції мідного купоросу, у якій міститься така кількість купрум(ІІ) сульфату:

3, а. v (CuSО4· 5Н2О) = v CuSО4= 0,09 моль.

3, б. m (CuSО4· 5Н2О) = 0,09 · 250 = 22,5 (г).

4. Обчислимо об'єм води, у якому необхідно розчинити мідний купорос масою 22,5 г. Для цього від маси розчину 120 г віднімемо масу мідного купоросу 22, 5 г та одержимо у відповіді 97,5 г, або 97,5 мл.

Знаємо, розуміємо

  • 1. Які речовини називають кристалогідратами?
  • 2. Наведіть якомога більше прикладів кристалогідратів.
  • 3. Як обчислюють відносну молекулярна масу кристалогідрату?
  • 4. Чим ви поясните, що купрум(ІІ) сульфат у твердому стані білого кольору, а його водний розчин — блакитного?
  • 5. Що слід пам'ятати, виготовляючи водні розчини солей з їхніх кристалогідратів?

Застосовуємо

  • 33. Обчисліть молярну масу гіпсу СaSO4 · 2H2O.
  • 34. На скільки грамів зменшиться маса залізного купоросу при прожарюванні 55,6 г цього кристалогідрату?
  • 35. Прожарюванням кристалогідрату масою 66,6 г одержали безводний алюміній сульфат масою 34,2 г. Установіть формулу кристалогідрату.
  • 36*. У якому випадку масова частка розчиненої речовини буде меншою: а) у воді об'ємом 200 мл розчинили 50 г купрум(ІІ) сульфату; б) у воді об'ємом 150 мл розчинили 50 г мідного купоросу? Відповідь підтвердіть розрахунками.
  • 37*. Цинк сульфат є ефективним мікродобривом. Його розчином з масовою часткою розчиненої речовини 0,2 % обприскують посіви. Яка маса гептагідрату цинк сульфату знадобиться для приготування 2 кг такого розчину для підживлення овочевих культур на присадибній ділянці?