Растворимость и кристаллизация

9 заданий

Кристаллизация при охлаждении и выпаривании

Кристаллизацию используют для очистки веществ с древнейших времён: соль выпаривают из морской воды, селитру перекристаллизовывают для пороха. Расчёт всегда один — баланс соли и воды.

Кривые растворимости: у нитрата калия круто растущая, у хлорида натрия почти горизонтальная

Охлаждение годится для веществ с круто растущей растворимостью (\(\ce{KNO3}\), медный купорос): горячий насыщенный раствор при охлаждении выделяет большую часть соли.
Выпаривание — для веществ с пологой кривой (\(\ce{NaCl}\)): убирают воду, и соль, которую уже нечем удерживать, кристаллизуется.

Оставшийся над кристаллами раствор — маточный — насыщен при конечной температуре. Примеси, которых мало, остаются в нём: на этом основана перекристаллизация. Потери неизбежны: часть очищаемой соли тоже остаётся в маточном растворе.

scienceСоли, которые добывают кристаллизацией

\(\ce{KCl + NaNO3 -> KNO3 + NaCl}\) — «конверсионная» калиевая селитра: при охлаждении горячего раствора кристаллизуется \(\ce{KNO3}\), а \(\ce{NaCl}\) остаётся (его растворимость почти не меняется).
\(\ce{NaCl}\) — выпариванием морской воды в солеварнях.
\(\ce{Na2SO4*10H2O}\) — «мирабилит» выпадает зимой на дно залива Кара-Богаз-Гол при охлаждении рапы.
\(\ce{KAl(SO4)2*12H2O}\) — алюмокалиевые квасцы легко перекристаллизовываются в крупные прозрачные октаэдры.

auto_awesomeСелитряницы

Калиевую селитру для пороха веками получали в «селитряницах»: кучах навоза, мусора и извести, где бактерии окисляли азот до нитратов. Раствор выщелачивали, добавляли поташ (\(\ce{K2CO3}\)), чтобы превратить нитрат кальция в нитрат калия, и кристаллизовали. От качества этой очистки зависела сила пороха — и исход сражений.

Кристаллизация кристаллогидрата

Если из раствора выпадает кристаллогидрат, задача усложняется: кристаллы уносят с собой воду, и в маточном растворе её становится меньше. Простое вычитание «было соли − осталось соли» здесь неверно.

edit_noteМедный купорос

Насыщенный при 80 °C раствор \(\ce{CuSO4}\) (55,0 г на 100 г воды) массой 200 г охладили до 20 °C (20,7 г). Выпадает \(\ce{CuSO4*5H2O}\), в котором доля \(\ce{CuSO4}\) \(a = 0{,}639\).

В растворе: соли \(200\cdot55/155 = 71{,}0\) г, воды 129,0 г.
Пусть выпало \(x\) г гидрата: соли уходит \(0{,}639x\), воды — \(0{,}361x\).
Маточный раствор насыщен: \(\dfrac{71{,}0 - 0{,}639x}{129{,}0 - 0{,}361x} = 0{,}207\) ⇒ \(x = 78{,}4\) г.

Если «забыть» про воду гидрата, выйдет \(71{,}0 - 0{,}207\cdot129{,}0 = 44{,}3\) г — это масса безводной соли, а кристаллов купороса почти вдвое больше.

boltПроверка на здравый смысл

Масса выпавшего кристаллогидрата всегда больше, чем масса «убывшей» из раствора безводной соли, — на массу кристаллизационной воды. Если у вас вышло наоборот, вы делите на \(a\) не там, где нужно.

scienceКристаллогидраты, которые получают из растворов

\(\ce{CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O}\), затем кристаллизация \(\ce{CuSO4*5H2O}\) — синие кристаллы медного купороса.
\(\ce{Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2 ^}\), затем \(\ce{FeSO4*7H2O}\) — зелёный железный купорос.
\(\ce{MgO + H2SO4 -> MgSO4 + H2O}\), затем \(\ce{MgSO4*7H2O}\) — горькая (английская) соль.

Пересыщенные растворы

Раствор можно охладить так осторожно, что кристаллы не появятся, — он станет пересыщенным: в нём растворено больше, чем допускает растворимость. Такое состояние неустойчиво: достаточно бросить крошечный кристаллик (затравку), и избыток соли мгновенно выпадает, раствор при этом нагревается.

Классический опыт — тиосульфат натрия \(\ce{Na2S2O3*5H2O}\): при 48 °C он «плавится» в собственной кристаллизационной воде, а охлаждённый расплав остаётся жидким, пока в него не попадёт кристалл. Тогда вся масса твердеет на глазах, разогреваясь.

scienceЗатравки и зародыши

\(\ce{AgNO3 + KI -> AgI v + KNO3}\) — иодид серебра: кристаллы, похожие на лёд по строению решётки.
\(\ce{Na2S2O3 + 5H2O -> Na2S2O3*5H2O}\) — кристаллизация пересыщенного раствора с выделением теплоты.
\(\ce{BaCl2 + H2SO4 -> BaSO4 v + 2HCl}\) — при быстром смешивании концентрированных растворов получается мелкий осадок: много зародышей; при медленном — крупный.

auto_awesomeКак вызывают дождь

В 1946 году Бернард Воннегут открыл, что частицы иодида серебра заставляют переохлаждённые капли облака замерзать: решётка \(\ce{AgI}\) почти совпадает с решёткой льда, и молекулы воды «узнают» знакомый порядок. Так появился засев облаков — с самолётов распыляют \(\ce{AgI}\), чтобы вызвать осадки или рассеять облачность перед праздниками.

push_pinГлавное

Масса кристаллов = масса соли в растворе минус то, что удерживает оставшаяся вода. Если выпадает кристаллогидрат, вместе с солью уходит вода — уравнение составляют для неизвестной массы гидрата: \(\dfrac{m_\text{с} - a x}{m_\text{в} - (1-a)x} = s/100\), где \(a\) — доля безводной соли в гидрате. Пересыщенный раствор кристаллизуется от затравки; иодид серебра служит затравкой для льда в облаках.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.