Кристаллогидраты - это вещества, содержащие в кристаллической решетке одну или несколько молекул воды. Популярные кристаллогидраты в ЕГЭ по химии:
1) медный купорос, пентагидрат сульфат меди(II) - CuSO₄•5H₂O
2) железный купорос, гептагидрат сульфата железа(II) - FeSO₄•7H₂O
3) цинковый купорос, гептагидрат сульфата цина - ZnSO₄•7H₂O
4) кристаллическая сода, натрон, декагидрат карбоната натрия - Na₂CO₃•10H₂O
Помимо солей в состав кристаллогидратов могут входить и другие соединения, например кислоты H₂C₂O₄•2H₂O. Но такие вещества лежат за рамками программы ЕГЭ на 2024 год.
Физические и химические свойства кристаллогидратов
Химические свойства кристаллогидратов аналогичны свойствам солей (или других соединений), которые входят в их состав. Более интересны физические свойства этих веществ и процесс их растворения в воде.
[1] При изменении числа молекул воды в составе кристаллогидратов часто меняется цвет вещества. Это явление можно увидеть на примере медного купороса.
Безводный сульфат меди CuSO₄ имеет белый цвет. При хранении его во влажном воздухе он поглощает воду и постепенно превращается в кристаллогидрат голубого цвета. А при медленном аккуратном нагревании кристаллогидрата вода испаряется, а в твердом остатке образуется только соль.
Аналогичный процесс изменения цвета сильно заметно в случае хлорида кобальта(II). Химические свойства кобальта и его соединений лежат уже за рамками ЕГЭ. Безводный CoCl₂ имеет голубой цвет, а гексагидрат CoCl₂•6H₂O - розовый цвет.
P.S. у автора есть нарушение цветовосприятия, поэтому если Вы замечаете неточность по отношению к цветам веществ на картинках, то прошу Вас отметить это в комментариях, чтобы подкорректировать изображения.
[2] Гигроскопичные свойства солей, которые образуют кристаллогидраты, используются для контроля за влажностью воздуха. Безводные соли оставляют в помещении или аппаратах для проведения реакций, и если они меняют цвет, значит воздух влажный. Для некоторых синтезов это неудовлетворительно, поэтому после такого анализа химики осушают область проведения экспериментов.
Также процесс образования кристаллогидратов используется в строительстве. Цемент представляет из себя смесь безводных веществ, состоящих из оксидов кальция и кремния. При добавлении воды порошок сначала превращается в цементный клей, происходит образование кристаллогидартов, а затем эта смесь, напоминающая по консистенции тесто, затвердевает.
Определение массы соли и воды в составе кристаллогидратов
Как мы уже поняли, химические реакции с использованием кристаллогидратов в рамках ЕГЭ не встречаются. Но расчетны задачи с ними встречаются уже очень давно, особенно во второй части (задания с развернутым ответом).
Для более простого продолжения изучения темы кристаллогидратов необходимо убедиться, что простейшие задачи с массовой долей, количеством вещества и смешением растворов у Вас уже решаются хорошо. Это №26, 28 в ЕГЭ по химии на 2024 год.
Главная особенность расчетов заключается в том, что необходимо определять массу соли и воды в составе кристаллогидратов. И как только этот расчет сделан, сложная на первый взгляд задача превращается в типичный №26,28 с использованием стандартных формул массовой доли, количества вещества и т.д.
Есть два основных способа расчета массы соли и воды в кристаллогидрате:
1) расчет с помощью пропорции или количества вещества (моль) соли
2) расчет с помощью массовой доли соли
Эти методы сильно пересекаются между собой. Используйте тот, который проще в понимании для Вас.
[1] Количество (моль) соли в составе кристаллогидрата можно рассчитать с помощью формулы n = m/M.
При этом нужно осознавать факт: "Моль соли равно моль кристаллогидрата, если в состав одной структурной единицы кристаллогидрата входит одна структурная единица соли".
Например, медный купорос - CuSO₄•5H₂O - в своем составе имеет одну структурную единицу CuSO₄ и пять молекул H₂O.
Железный купорос - FeSO₄•7H₂O - в своем составе имеет одну структурную единицу FeSO₄ и семь молекул H₂O.
Как Вы уже поняли, число структурных единиц мы смотрим по коэффициенту, стоящему перед солью или водой в записи кристаллогидрата. Еще пара примеров разбирается на картинке ниже:
Соотношение между числом структурных единиц - это и есть соотношение по количеству вещества (моль). То есть, если в одной структурной единице кристаллогидрата одна структурная единица соли, значит их количества равны.
Если же в одной структурной единице кристаллогидрата семь молекул воды, то количество (моль) воды в 7 раз больше, чем количество кристаллогидрата.
Количество же самого кристаллогидрата можно рассчитать, зная его формулу и массу (в г или кг). Молярная масса кристаллогидрата численно равна сумме атомных масс всех атомов (и из соли, и из молекул воды), входящих в его состав.
Решение тренировочных задач
Пример №1.
Рассчитайте массу соли CuSO₄ (в г) в составе порции медного купороса CuSO₄•5H₂O массой 50 г. Ответ приведите с точностью до целых.
Пойдем по алгоритму: сначала рассчитаем количество (моль) кристаллогидрата по формуле n = m/M. Затем приравняем количество (моль) кристаллогидрата и соли. И в конце узнаем ответ - массу соли, сульфата меди(II) - с помощью формулы m = n•M.
Да, задачу мы решили и поняли, что в порции медного купороса массой 50 граммов содержится 32 грамма соли. И вот еще, что после такого расчета можно сделать: разность между массой порции кристаллогидрата и массой соли в его составе - это масса воды.
Заметьте, что мы использовали массу кристаллогидрата в самом начале и пришли к массе соли, используя одну и ту же формулу n = m/M два раза. Можно ли сократить способ расчета? Да, рассмотрим равенство количества (моль) кристаллогидрата и соли и составим пропорцию:
То есть для решения задачи на поиск массы соли в составе кристаллогидрата можно не использовать расчет количества (соль), а сразу составить пропорцию между массами соли и кристаллогидрата и их молярными массами. Решим пример №1 вторым способом:
Теперь первый метод расчета для поиска массы соли или кристаллогидрата Вы можете производить с помощью количества (моль) или сразу воспользоваться пропорцией. Разберем еще несколько тренировочных задач для закрепления.
Пример №2.
Рассчитайте массу воды (в г) в составе порции кристаллогидрата Na₂CO₃•10H₂O массой 57,2 г. Ответ приведите с точностью до целых.
Пример №3.
Рассчитайте массу кристаллогидрата ZnSO₄•7H₂O (в г), которую можно получить из безводного сульфата цинка массой 24,15 г. Ответ приведите с точностью до сотых.
Пример №4
В результате медленного нагревания порции пентагидрата сульфата меди(II) массой 46,25 г была получена безводная соль. Определите потерю массы (в %) относительно начальной массы кристаллогидрата. Ответ приведите с точностью до десятых.
В этой задаче стоит обсудить фразу "потеря массы". Мы уже говорили, что в результате нагревания кристаллогидратов происходит испарение воды и изменяется цвет вещества.
Потеря массы - то, на сколько изменилась (стала меньше) масса твердого вещества. Например, изначально было 50 граммов кристаллогидрата, а после нагревания и испарения воды сухой остаток составил 25 граммов. На сколько процентов масса уменьшилась?
Во-первых, уменьшение составило на 50 - 25 = 25 граммов.
Во-вторых, 25 граммов относительно начальной массы: 25/50 = 0,5 или 50%.
То есть потеря массы составила 50%.
Еще пример: изначально было 75 граммов кристаллогидрата, а после нагревания и испарения воды сухой остаток составил 18,75 граммов. Какова потеря массы?
Во-первых, уменьшение составило на 75 - 18,75 = 56,25 граммов.
Во-вторых, 56,25 граммов относительно начальной массы: 56,25/75 = 0,75 или 75%. То есть потеря массы составила 75%.
Вернемся к решению задач и используем тот же алгоритм расчета потери массы:
[2] Массу соли или воды в составе кристаллогидрата можно определять с помощью ее массовой доли.
Еще один метод решения задач с кристаллогидратами основан на применении понятия массовая доля.
Выразим массовую долю соли в составе кристаллогидрата, помня о том, что количество (моль) соли равно количеству кристаллогидрата:
То есть массовая доля соли в составе кристаллогидрата численно равно соотношению молярных масс соли и кристаллогидрата. Эту формулу можно применять для любого вещества. Пользуйтесь!
Пример №5.
Определите массу порции (в г) гептагидрата сульфата железа(II), если воды в его состав входит 4,32 г. Приведите ответ с точностью до сотых.
Пример №6.
Определите массу порции (в г) медного купороса, если сульфата меди(II) в состав кристаллогидрата входит 40 г, а массовая доля воды в нем равна 36%. Ответ приведите с точностью до десятых.
Вот они два метода работы по определению количественного состава кристаллогидратов. Выбирайте понравившийся или тот, который выглядит проще и понятнее. Они все помогут перевести "сложное" условие задачи в более понятное с массой соли и воды.
Растворение кристаллогидратов в воде
Если бы мы готовили раствор безводной соли, то добавили бы к ней воду и перемешали. Масса полученного раствора в таком случае - это сумма масс соли и воды. А массовая доля соли будет рассчитываться как соотношение масс соли и раствора. Все просто, с двумя величинами мы добираемся до массовой доли растворенного вещества.
А что будет в случае кристаллогидрата? Растворяя кристаллогидрат в воде, мы вносим в наш раствор и соль, и небольшую массу воды. Поэтому для определения массовой доли соли после растворения кристаллогидрата нам сначала нужно найти массу самой соли (как мы это делали в прошлом разделе).
Разберем парочку тренировочных заданий.
Пример №7.
Рассчитайте массовую долю (в %) сульфата меди(II) в растворе, полученном при растворении 20 г медного купороса в 130 г воды. Ответ дайте с точностью до сотых.
Для начала определим массу самой соли в составе кристаллогидрата, затем рассчитаем массу полученного раствора и подставим все в формулу для массовой доли.
Пример №8.
При растворении порции декагидрата карбоната натрия был получен раствор массой 344 г с массовой долей карбоната натрия 14%. Определите массу (в г) растворенного кристаллогидрата. Ответ приведите с точностью до сотых.
В начале определим массу соли в растворе, т.к. она полностью взята из состава кристаллогидрата. Затем через пропорцию/моль/массовую долю соли в кристаллогидрате найдем его исходную массу.
Пример №9.
В какой массе раствора с массовой долей сульфата цинка 4% нужно растворить 10 г ZnSO₄•7H₂O, чтобы получить раствор с массовой долей сульфата цинка 6%. Ответ приведите в граммах с точностью до сотых.
Первоначально нарисуем картинку, чтобы было проще представить условие задачи и возьмем за Х массу исходного раствора. На ней же подпишем все исходные численные данные по условию задачи:
Массовую долю соли в составе кристаллогидрата мы можем рассчитать по формуле. И заметим, что масса итогового раствора складывается из начального раствора и кристаллогидрата, т.е. Х+10 граммов.
Тогда можно составить уравнение по массе соли, т.к. сумма масс соли в исходном растворе и кристаллогидрате - это то, сколько соли окажется в итоговом растворе.
Примеры задач из ЕГЭ прошлых лет и банка ФИПИ
Линия №26. Пример №10.
В какой массе раствора с массовой долей ацетата меди(II) 2% нужно растворить 40 г (CH3COO)₂Cu∙H₂O, чтобы получить раствор с массовой долей ацетата меди(II) 6%? (Запишите число с точностью до целых.)
Линия №34. Пример №11.
Образец кристаллогидрата нитрата меди(II) разделили на две равные части. Первую часть прокалили до постоянной массы, при этом образовалось 40 г твёрдого остатка. Вторую часть растворили в 430 г воды и провели электролиз полученного раствора с использованием инертного анода. Электрический ток пропускали до полного выделения металла на катоде. При этом образовался раствор с массовой долей растворённого вещества 11,71%. Определите формулу кристаллогидрата.
Линия №34. Пример №12.
Кристаллогидрат нитрата железа(II), в котором массовая доля протонов в ядрах всех атомов составляет 52,05%, прокалили до постоянной массы. Твёрдый остаток растворили в 300 г иодоводородной кислоты, взятой в избытке. Через образовавшуюся смесь пропустили сернистый газ, при этом прореагировало 2,24 л (н.у.) газа. Вычислите массовую долю соли иодоводородной кислоты в конечном растворе и массу исходного кристаллогидрата.
Линия №34. Пример №13.
Нитрид натрия массой 8,3 г растворили в 490 г 20%-ного раствора серной кислоты. К полученному раствору добавили 57,2 г кристаллической соды (Na₂CO₃•10H₂O). Определите массовую долю кислоты в конечном растворе. Учитывать образование только средних солей.
Линия №34. Пример №14.
Фосфид кальция массой 18,2 г растворили в 182,5 г 20%-ного раствора соляной кислоты. К полученному раствору добавили 200,2 г кристаллической соды (Na₂CO₃•10H₂O). Определите массовую долю карбоната натрия в конечном растворе.
Успехов в освоении темы кристаллогидраты. У Вас все получится, верю и желаю лучшего!
Ответы к заданиям.
№10: 850 г
№11: Cu(NO₃)₂∙6H₂O
№12: w(FeI₂) = 19,2%, m(Fe(NO₃)₂∙9H₂O) = 68,4 г
№13: w(H₂SO₄) = 10,8%
№14: w(Na₂CO₃) = 6%
