Расчёты по плотности раствора
Задачи на плотность раствора сводятся к связи между массой, объёмом и составом системы. Научитесь переводить условия в величины, выбирать общую массу или общий объём и проверять результат по смыслу — так решаются задачи формата ЕГЭ-27 и ОГЭ-18, ОГЭ-19.
1. Основные величины и связи между ними
Плотность показывает, какую массу имеет единица объёма вещества или раствора. В расчётах чаще всего используют граммы и миллилитры либо килограммы и литры. Важно, чтобы единицы массы и объёма соответствовали единицам плотности.
Плотность раствора — отношение массы раствора к его объёму. Обозначают плотность буквой \(\rho\), массу — \(m\), объём — \(V\).
Если в условии дана масса раствора и его плотность, сначала находят объём. Если дан объём, по плотности находят массу. Для массовой доли вещества используйте массовую долю вещества: она показывает, какая часть массы раствора приходится на растворённое вещество.
Массовую долю в процентах переводят в долю единицы: \(12\% = 0{,}12\). Формулы плотности подробно разобраны на странице формула плотности, а перевод массы в объём — на странице объём раствора по массе и плотности.
Если плотность выражена в \(\text{г/мл}\), массу удобно брать в граммах, а объём — в миллилитрах. Если плотность выражена в \(\text{кг/л}\), массу берут в килограммах, а объём — в литрах. Численно \(1\ \text{г/мл}=1\ \text{кг/л}\).
2. Раствор как система из частей
Раствор состоит из растворённого вещества и растворителя. Для водного раствора растворителем является вода. При смешивании компонентов масса сохраняется, поэтому масса раствора равна сумме масс его частей.
Если известна массовая доля растворённого вещества, массу воды можно найти так:
Объём раствора обычно находят после вычисления его массы: \(V_{\text{раствора}}=m_{\text{раствора}}/\rho_{\text{раствора}}\). Для воды в школьных задачах плотность часто считают равной \(1\ \text{г/мл}\), если это прямо разрешено условием или таблицей; подробнее см. плотность воды в расчётах.
При смешивании без потерь масса смеси равна сумме масс исходных компонентов. Объём смеси не всегда равен сумме объёмов: для растворов это приближение используют только тогда, когда оно следует из условия.
Для смеси двух растворов одного вещества удобно составлять две суммы: общую массу и массу растворённого вещества.
В растворе массой 250 г массовая доля соли равна 8%. Какова масса соли?
3. Плотность смеси и раствора
Плотность смеси рассчитывают как отношение общей массы к общему объёму. Это главный ответ на поисковые запросы «плотность смеси» и «расчёт плотности смеси».
Если известны плотности и объёмы компонентов, сначала выражают массы: \(m_i=\rho_iV_i\). Тогда:
Формула (10) справедлива при условии аддитивности объёмов: \(V_{\text{смеси}}=V_1+V_2\). Для растворов после смешивания объём может измениться, поэтому безопаснее использовать непосредственно данные задачи или находить плотность готового раствора по его массе и объёму.
Если даны массы и объёмы — применяйте \(\rho=m/V\). Если даны плотности и объёмы компонентов — сначала найдите массы, затем общую плотность. Если даны плотность готового раствора и массовая доля — сначала найдите массу раствора в выбранном объёме, затем массу вещества.
Для раствора, в котором массовая доля вещества равна \(w\), а плотность — \(\rho\), в объёме \(V\) содержится:
Обратная задача — найти плотность раствора по массовой доле — требует дополнительных данных или таблицы. Не следует считать плотность линейной функцией массовой доли без указания в условии; нужный способ рассмотрен на странице плотность раствора по массовой доле.
4. Универсальный алгоритм решения
- Выпишите, что дано и что требуется найти. Укажите единицы измерения.
- Определите объект расчёта: раствор, растворённое вещество, вода или смесь.
- Переведите проценты в доли единицы и приведите единицы к одной системе.
- Если дана плотность, свяжите массу и объём формулой \(m=\rho V\) или \(V=m/\rho\).
- Для состава используйте \(w=m_{\text{вещества}}/m_{\text{раствора}}\).
- Для смешивания запишите отдельно баланс общей массы и баланс массы растворённого вещества.
- Подставьте числа, округлите только в конце и проверьте размерность и физический смысл ответа.
Сначала найдите массу раствора, затем массу растворённого вещества или воды, затем объём. Не смешивайте массу вещества с массой всего раствора.
5. Разобранный пример
К 200 г раствора с массовой долей соли 10% добавили 300 мл воды. Плотность полученного раствора равна \(1{,}05\ \text{г/мл}\). Найдите объём полученного раствора и массовую долю соли в нём.
Показать решение решение
Ответ: объём раствора примерно \(476{,}2\ \text{мл}\), массовая доля соли — \(4\%\). Обратите внимание: объём после смешивания равен не обязательно \(200+300\) мл, поскольку объём исходного раствора нужно было бы сначала найти по его плотности.
Если требуется найти только массу растворённого вещества, используйте страницу масса растворённого вещества по плотности раствора. Если в условии участвует насыщенный раствор, применяйте отдельный алгоритм со страницы плотность насыщенного раствора.
1) Подставляют 10 вместо 0,10 для 10%. 2) Используют объём воды как массу без проверки плотности воды. 3) Складывают объёмы растворов, хотя условие этого не разрешает. 4) В формуле массовой доли берут массу вещества в знаменателе вместо массы раствора. 5) Считают плотность смеси средним арифметическим плотностей без учёта масс или объёмов. 6) Округляют промежуточные значения и получают заметную погрешность.
6. Быстрая проверка результата
- Плотность имеет единицы массы, делённой на объём.
- Массовая доля находится от 0 до 1, или от 0% до 100%.
- Масса растворённого вещества не превышает массу раствора.
- При добавлении чистой воды массовая доля растворённого вещества уменьшается.
- Плотность смеси лежит между плотностями компонентов, если объёмы складываются и нет необычного изменения объёма.
Quick-test
Главное
- Плотность находят по формуле \(\rho=m/V\), а массу и объём выражают преобразованием этой формулы.
- Массовая доля — отношение массы растворённого вещества к массе раствора; проценты переводят в долю единицы.
- Масса раствора равна сумме масс компонентов, а объёмы можно складывать только при соответствующем допущении.
- Плотность смеси — отношение общей массы к общему объёму, а не простое среднее плотностей.
- В задачах действуйте по цепочке: единицы → масса раствора → масса вещества или воды → объём и состав → проверка результата.