Растворимость и кристаллизация

9 заданий

Кристаллизация при охлаждении и выпаривании

Кристаллизацией называют выделение вещества из раствора в виде кристаллов. Её с древнейших времён используют для получения и очистки веществ: соль выпаривают из морской воды, а селитру перекристаллизовывают для пороха. Чтобы рассчитать массу полученных кристаллов, нужно учитывать, сколько соли и воды было в исходном растворе и сколько осталось после кристаллизации.

Кривые растворимости: у нитрата калия растворимость быстро растёт с температурой, у хлорида натрия меняется слабо

Охлаждение применяют, если растворимость вещества заметно уменьшается при понижении температуры. Например, из горячих насыщенных растворов \(\ce{KNO3}\) и медного купороса при охлаждении выделяются кристаллы.
Выпаривание применяют, если растворимость вещества слабо зависит от температуры, как у \(\ce{NaCl}\). При удалении воды часть растворённой соли уже не может оставаться в растворе и кристаллизуется.

Раствор, оставшийся над кристаллами, называют маточным раствором. Он насыщен при конечной температуре: часть очищаемой соли неизбежно остаётся в нём. Примеси, которых в исходном растворе было мало, преимущественно остаются там же. Растворение вещества с последующим выделением кристаллов для его очистки называют перекристаллизацией.

scienceСоли, получаемые кристаллизацией

\(\ce{KCl + NaNO3 -> KNO3 + NaCl}\) — конверсионную калиевую селитру получают реакцией обмена между солями; при охлаждении раствора кристаллизуется \(\ce{KNO3}\), тогда как растворимость \(\ce{NaCl}\) мало зависит от температуры, и при подходящем составе раствора хлорид натрия остаётся в маточном растворе.
\(\ce{NaCl}\) — хлорид натрия получают 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 при перекристаллизации образуют крупные прозрачные октаэдры.

auto_awesomeСелитряницы

Калиевую селитру для пороха веками получали в «селитряницах» — кучах навоза, мусора и извести. При разложении органических остатков образовывались соединения азота, которые бактерии превращали в нитраты. Содержимое селитряниц выщелачивали, а к полученному раствору добавляли поташ (\(\ce{K2CO3}\)), чтобы превратить нитрат кальция в нитрат калия. Затем селитру кристаллизовали. От качества очистки зависела сила пороха, а от неё мог зависеть и исход сражений.

Кристаллизация кристаллогидрата

В предыдущем случае кристаллы забирают из раствора растворённую соль. Если же выделяется кристаллогидрат, его кристаллы содержат также воду. Поэтому при расчёте нужно вычесть из исходного количества воды ту её часть, которая вошла в состав кристаллов. Простого вычитания массы соли, оставшейся в растворе, недостаточно.

edit_noteКристаллизация медного купороса

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

В исходном растворе масса соли равна \(200\cdot55/155 = 71{,}0\) г, а масса воды — 129,0 г.
Пусть выпало \(x\) г кристаллогидрата. Тогда вместе с кристаллами из раствора уйдут \(0{,}639x\) г соли и \(0{,}361x\) г воды.
Маточный раствор насыщен при 20 °C, поэтому отношение оставшихся масс соли и воды равно растворимости, выраженной в граммах на грамм воды: \(\dfrac{71{,}0 - 0{,}639x}{129{,}0 - 0{,}361x} = 0{,}207\) ⇒ \(x = 78{,}4\) г. При вычислении результата промежуточные массы не округляют.

Если не учесть воду, вошедшую в состав кристаллов, получится \(71{,}0 - 0{,}207\cdot129{,}0 = 44{,}3\) г. Это ошибочная оценка: масса воды в маточном растворе меньше исходной, а масса кристаллов купороса почти вдвое больше полученного таким способом значения.

boltПроверка расчёта массы кристаллогидрата

Масса выпавшего кристаллогидрата больше массы безводной соли, ушедшей из раствора, поскольку в кристаллах есть также вода. Если расчёт дал противоположный результат, проверьте переход от массы безводной соли к массе кристаллогидрата: для этого массу соли делят на \(a\).

scienceКристаллогидраты, получаемые из растворов

\(\ce{CuO + H2SO4 -> CuSO4 + H2O}\) — в реакции оксида меди с серной кислотой образуется сульфат меди, из раствора которого получают синие кристаллы \(\ce{CuSO4*5H2O}\) — медного купороса.
\(\ce{Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2 ^}\) — в реакции железа с серной кислотой образуется сульфат железа, из раствора которого получают зелёный железный купорос \(\ce{FeSO4*7H2O}\).
\(\ce{MgO + H2SO4 -> MgSO4 + H2O}\) — в реакции оксида магния с серной кислотой образуется сульфат магния, из раствора которого получают горькую, или английскую, соль \(\ce{MgSO4*7H2O}\).

Пересыщенные растворы

При осторожном охлаждении кристаллы иногда не появляются, хотя растворимость уже уменьшилась. Такой раствор называют пересыщенным: в нём растворено больше вещества, чем может содержаться в насыщенном растворе при этой температуре. Пересыщенное состояние неустойчиво. Если внести небольшой кристалл того же вещества — затравку, на нём начнут расти новые кристаллы. Избыток вещества выделится из раствора, и раствор нагреется.

Это можно наблюдать на примере тиосульфата натрия \(\ce{Na2S2O3*5H2O}\). При 48 °C он плавится в собственной кристаллизационной воде. Охлаждённый расплав остаётся жидким, пока в него не попадёт кристалл: после этого масса быстро твердеет и разогревается.

Кристаллизация может начаться и на другом подходящем участке поверхности. Начальные мельчайшие кристаллы называют зародышами. От того, сколько зародышей возникло, зависит размер полученного осадка.

scienceЗатравки и зародыши

\(\ce{AgNO3 + KI -> AgI v + KNO3}\) — в реакции образуется иодид серебра; строение его кристаллической решётки сходно со строением решётки льда.
\(\ce{Na2S2O3 + 5H2O -> Na2S2O3*5H2O}\) — при кристаллизации пересыщенного раствора тиосульфата натрия выделяется теплота.
\(\ce{BaCl2 + H2SO4 -> BaSO4 v + 2HCl}\) — при быстром смешивании концентрированных растворов образуется много зародышей и мелкий осадок; при медленном смешивании кристаллы вырастают крупнее.

auto_awesomeИскусственное вызывание осадков

В 1946 году Бернард Воннегут открыл, что частицы иодида серебра способствуют замерзанию переохлаждённых капель в облаках. Решётка \(\ce{AgI}\) близка по строению к решётке льда, поэтому на поверхности его частиц легче образуются зародыши ледяных кристаллов. Так появился засев облаков: с самолётов распыляют \(\ce{AgI}\), чтобы вызвать осадки или рассеять облачность перед праздниками.

push_pinГлавное

При кристаллизации часть растворённой соли переходит в кристаллы, а часть остаётся в маточном растворе. Если выпадает кристаллогидрат, вместе с солью из раствора уходит вода. Поэтому для неизвестной массы гидрата \(x\) составляют уравнение \(\dfrac{m_\text{с} - a x}{m_\text{в} - (1-a)x} = s/100\), где \(a\) — доля безводной соли в гидрате. Пересыщенный раствор может сохраняться без кристаллов, но внесённая затравка вызывает кристаллизацию. Частицы иодида серебра служат центрами образования ледяных кристаллов в облаках.

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