Растворы способы выражения состава раствора закон эквивалентов

Способы выражения концентрации

Существует множество способов измерить концентрацию раствора. Это так называемые способы выражения концентрации раствора.

Концентрация раствора — это количество вещества, находящегося в единице объема или массы раствора.

Что такое раствор

Среди окружающих нас веществ, лишь немногие представляют собой чистые вещества. Большинство являются смесями, состоящими из нескольких компонентов, которые могут находиться в одном или различных фазовых состояниях.

Смеси, имеющие однородный состав являются гомогенными, неоднородный состав – гетерогенными.

Иначе, гомогенные смеси, называют растворами, в которых одно вещество полностью растворяется в другом (растворителе). Растворитель – это тот компонент раствора, который при образовании раствора сохраняет свое фазовое состояние. Он обычно находится в наибольшем количестве.

Существуют растворы газовые, жидкие и твердые. Но более всего распространены жидкие растворы, поэтому, в данном разделе, именно на них мы сосредоточим свое внимание.

Концентрацию раствора можно охарактеризовать как:

Качественная концентрация характеризуется такими понятиями, как разбавленный и концентрированный раствор.
С этой точки зрения растворы можно классифицировать на:

• Насыщенные – растворы с максимально возможным количеством растворенного вещества. Количество растворяемого вещества, необходимое для получения насыщенного раствора определяет растворимость этого вещества.
• Ненасыщенные – любые растворы, которые все еще могут растворять введенное вещество.
• Пересыщенные – растворы, в которых растворено больше вещества, чем максимально возможное. Такие растворы очень нестабильны и в определенных условиях растворенное вещество будет выкристаллизовываться из него, до тех пор, пока не образуется насыщенный раствор.

Количественная концентрация выражается через молярную, нормальную (молярную концентрацию эквивалента), процентную, моляльную концентрации, титр и мольную долю.

Способы выражения концентрации растворов

Молярная концентрация растворов (молярность)

Наиболее распространенный способ выражения концентрации растворов – молярная концентрация или молярность. Она определяется как количество молей n растворенного вещества в одном литре раствора V. Единица измерения молярной концентрации моль/л или моль ·л -1 :

Раствор называют молярным или одномолярным, если в 1 литре раствора растворено 1 моль вещества, децимолярным – растворено 0,1 моля вещества, сантимолярным — растворено 0,01 моля вещества, миллимолярным — растворено 0,001 моля вещества.

Термин «молярная концентрация» распространяется на любой вид частиц.

Вместо обозначения единицы измерения — моль/л, возможно такое ее обозначение – М, например, 0,2 М HCl.

Молярная концентрация эквивалента или нормальная концентрация растворов (нормальность).

Понятие эквивалентности мы уже вводили. Напомним, что эквивалент – это условная частица, которая равноценна по химическому действию одному иону водорода в кислотоно-основных реакциях или одному электрону в окислительно – восстановительных реакциях.

Например, эквивалент KMnO₄ в окислительно – восстановительной реакции в кислой среде равен 1/5 (KMnO₄).

Еще одно необходимое понятие — фактор эквивалентности – это число, обозначающее, какая доля условной частицы реагирует с 1 ионом водорода в данной кислотоно-основной реакции или с одним электроном в данной окислительно – восстановительной реакции.

Он может быть равен 1 или быть меньше 1. Фактор эквивалентности, например, для KMnO₄ в окислительно – восстановительной реакции в кислой среде составляет f_экв(KMnO₄) = 1/5.

Следующее понятие – молярная масса эквивалента вещества х. Это масса 1 моля эквивалента этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества х:

Молярная концентрация эквивалента (нормальность) определяется числом молярных масс эквивалентов на 1 литр раствора.

Эквивалент определяется в соответствии с типом рассматриваемой реакции. Единица измерения нормальной концентрации такая же как и у молярной концентрации — моль/л или моль·л -1

Для обозначения нормальной концентрации допускается сокращение «н» вместо «моль/л».

Процентная концентрация раствора или массовая доля

Массовая концентрация показывает сколько единиц массы растворенного вещества содержится в 100 единицах массы раствора.

Это отношение массы m(х) вещества x к общей массе m раствора или смеси веществ:

Массовую долю выражают в долях от единицы или процентах.

Моляльная концентрация раствора

Моляльная концентрация раствора b(x) показывает количество молей n растворенного вещества х в 1 кг. растворителя m. Единица измерения моляльной концентрации — моль/кг :

Титр раствора

Титр раствора показывает массу растворенного вещества х, содержащуюся в 1 мл. раствора. Единица измерения титра — г/мл:

Мольная или молярная доля

Мольная или молярная доля α(х) вещества х в растворе равна отношению количества данного вещества n(х) к общему количеству всех веществ, содержащихся в растворе Σn:

Между приведенными способами выражения концентраций существует взаимосвязь, которая позволяет, зная одну единицу измерения концентрации найти (пересчитать) ее в другие единицы. Существуют формулы, позволяющие провести такой пересчет, которые, в случае необходимости, вы сможете найти в сети. В разделе задач показано, как произвести такой пересчет, не зная формул.

Пример перевода процентной концентрации в молярную, нормальную концентрацию, моляльность, титр

Дан раствор объемом 2 л с массовой долей FeSO₄ 2% и плотностью 1029 кг/м 3 . Определить молярность, нормальность, моляльность и титр этого раствора раствора.

Решение.

1. Рассчитать молярную массу FeSO₄:

M (FeSO₄) = 56+32+16·4 = 152 г/моль

2. Рассчитать молярную массу эквивалента:

М_э = f_экв· М(FeSO₄) = 1/2·152 = 76 г/моль

3. Найдем m раствора объемом 2 л

m = V·ρ = 2·10 -3 ·1029 = 2,06 кг

4. Найдем массу 2 % раствора по формуле:

m(FeSO₄) = 0,02·2,06 = 0,0412 кг = 41,2 г

5. Найдем молярность, которая определяется как количество молей растворенного вещества в одном литре раствора:

n = m/М

n = 41,2/152 = 0,27 моль

С_м = n/V

С_м = 0,27/2 = 0,135 моль/л

6. Найдем нормальность:

n_э = 41,2/76 = 0,54 моль

С_н = 0,54/2 = 0,27 моль/л

7. Найдем моляльность раствора. Моляльная концентрация равна:

b (x) = n(x)/m

Масса растворителя, т.е. воды в растворе равна:

m_H2O = 2,06-0,0412 = 2,02 кг

b (FeSO₄) = n(FeSO₄)/m = 0,27/2,02 = 0,13 моль/кг

8. Найдем титр раствора, который показывает какая масса вещества содержится в 1 мл раствора:

Т(х) = m (х)/V

Т(FeSO₄) = m (FeSO₄)/V = 41,2/2000 = 0,0021 г/мл

Источник

Закон эквивалентов. Способы выражения концентрации растворов.

Контрольные вопросы.

1. Правила работы и техники безопасности в химической лаборатории.

2. Правила пользования реактивами и химической посудой.

3. Основные химические понятия: атомная масса, молекулярная масса.

4. Основные законы химии: а) закон постоянства состава; б)закон кратных отношений; в) закон объемных отношений; г) закон Авогадро; д) закон эквивалентов.

5. Эквивалент. Химический эквивалент элемента и химический эквивалент сложного вещества. а) молярная масса эквивалента кислоты; б) молярная масса эквивалента гидроксида; в) молярная масса эквивалента соли; г) молярная масса эквивалента оксида.

6. Способы выражения концентрации растворов: массовая доля, мольная доля, молярная и молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация).

7. Перевод одних концентраций в другие.

8. Решение задач.

9. Решение задач.

Закон эквивалентов: элементы соединяются друг с другом или замещают друг друга в отношении их эквивалентов:

где m и Э – массы и их эквиваленты соответственно.

Эквивалент элемента Э, атомная масса А и валентность, степень окисления элемента В связаны соотношением: Э = А/В. масса одного моля эквивалента элемента или сложного вещества называется молярной массой эквивалента или эквивалентной массой (г/моль)

Эквивалентом сложного вещества называется такая его масса, которая взаимодействует без остатка с эквивалентом (эквивалентной массой) водорода или любого другого вещества.

Эквиваленты сложных веществ вычисляют по формулам:

Э_{кислоты} =

Э_{основания} =

Э_соли =

Э_оксида =

Число молярных масс эквивалента сложного вещества в соответствии с законом эквивалентов зависит от того, в какой конкретно реакции это сложное вещество участвует.

Число молярных масс эквивалента, содержащихся в 1л раствора определяет молярную концентрацию эквивалента (нормальность) раствора. Раствор, содержащий в 1л 1 молярную массу эквивалента растворенного вещества, называется однонормальным раствором (1н), 0,1 молярную массу эквивалента — децимолярным и т.д.

Основными методами определения эквивалентов (молярных масс эквивалентов) простых веществ являются методы:

a) аналитический метод;

b) электрохимический метод;

c) метод вытеснения водорода.

Примеры вычисления эквивалента металла:

Пример 1. При сжигании 2,28 г металла было получено 3,78 г его оксида. Определить эквивалент металла.

Решение:

Сначала находим массу кислорода, пошедшего на окисление металла: 3,78 — 2,28 = 1,5г. Далее из пропорции находим эквивалент металла:

2,28г 1,5 г кислорода

Э металла 8 г/моль кислорода,

Э = = 12,16 г/моль

Пример 2. Вычислить эквивалент металла, если установлено химическим анализом, что сульфид металла содержит 67,15% металла (по массе), а эквивалент серы равен 16.

Решение:

67,15 массовой части металла соединяются с 32,85 части массы серы, а эквивалент металла соединяется с эквивалентом серы (закон эквивалентов). Отсюда

Эметалла = = 32,71

Пример 3. Определить эквивалент никеля, если для выделения на катоде 4г металла было пропущено через раствор его соли 13150 кулонов (Кл) электричества.

Решение:

В соответствии с уравнением, объединяющим первый и второй законы Фарадея,

m =

m — масса продукта электролиза

F — число Фарадея (96500 Кл)

Q -количество, прошедшего через раствор электричества

Э — эквивалент металла

Э = = 29,35

Пример 4. При взаимодействии 5г металла с кислотой выделилось 2,8 г водорода (н.у.). Вычислить эквивалент металла.

Решение:

По определению эквивалент металла вытеснит из кислоты эквивалент (11,2л) водорода (н.у.). Составим пропорцию:

5 г металла 2,8 г водорода

Э металла 11,2 л водорода

Э = = 20

Пример 5. При растворении 0,27 г металла в кислоте выделилось 118 мл водорода при 21 0 С и 101,8 кПа. Определить эквивалент металла.

Решение.

Приведем объем выделившегося водорода к нормальным условиям по формуле объединенного закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

= Vo =

Далее по закону эквивалентов находим искомое значение эквивалента металла:

0,27г 110 мл

Э водорода 11200 мл,

откуда Э = 27,49 г/моль

Пример 6. Определить эквивалент серной кислоты в следующих химических реакциях:

В реакции (1) эквивалент NaOH численно равен его молярной массе, следовательно, по закону эквивалентов эквиалент NaOH взаимодействует с эквивалентом H₂SO₄ и эквивалент H₂SO₄ равен его молярной массе (98 г/моль).

В реакции (2) эквивалент PbCl₂ равен М/2, следовательно, и эквивалент серной кислоты будет равен М/2 = 49 г/моль.

Задачи:

1. 1,96г металла вытесняют из раствора кислоты 0,672л водорода (н.у.). Вычислить эквивалент металла.

2. Вычислить эквивалент элемента, 1,2г которого вытесняют из раствора кислоты при 20 о С и 101,3 кПа 442 мл водорода.

3. Определить эквивалент хлорида никеля, если 1,621г хлорида взаимодействует без остатка с 1г гидроксида натрия, эквивалент которого равен 40.

4. На нейтрализацию 1г кислоты израсходовано 0,313г гидроксида натрия. Вычислить эквивалент кислоты.

5. На восстановление 6,33г оксида металла израсходовано 0,636л водорода (н.у.) Определить эквивалент металла.

6. Вычислить эквивалент карбоната калия в следующих реакциях:

7. Какое количество водорода выделится в результате взаимодействия 9г алюминия с избытком соляной кислоты, с избытком водного раствора щелочи?

8. Какое количество оксида получится при окислении 9г алюминия?

9. Эквивалент оксида равен 28. Вычислите эквивалент металла.

10. Вычислите эквивалент фосфорной кислоты при реакциях обмена, в результате которых образуются кислые и нормальные соли.

12. Для нейтрализации щавелевой кислоты гидроксидом калия на 1,244г кислоты потребовался 1г КОН, эквивалент которого 56. Вычислить эквивалент кислоты.

13. Вычислить эквивалент кислоты, если на нейтрализацию 0,234г ее потребовалось 28,9 мл 0,1N раствора NaOH.

Раствором называется гомогенная система, состоящая из двух или более компонентов. Жидкие растворы имеют наибольшее значение для живых организмов, так как именно в них протекают все жизненно важные процессы. Плазма крови, лимфа, внутриклеточные жидкости, желудочный сок — все это растворы. В виде растворов поступают в организм и лекарственные препараты (инъекции, микстуры). Нерастворимое вещество не может действовать в качестве лекарства.

При проведении анализов образцы веществ и различные пробы переводят в раствор.

Важнейшей характеристикой раствора является концентрация, т.е. относительное содержание растворенного вещества.

Процентная концентрация (относительная массовая доля) (С%) — отношение массы растворенного вещества к массе раствора, выраженное в процентах, или количество граммов растворенного вещества в 100г раствора:

C% = . 100%

где – m_В — масса растворенного вещества В;

m_А — масса растворителя А.

Мольная доля — отношение числа молей растворенного вещества к сумме молей всех компонентов в растворе:

N_В = = ,

где М — грамм-молекулярная масса; n — количество молей (вещества В и растворителя А).

Молярная концентрация, или моляльность, — количество молей растворенного вещества в 1 литре раствора:

m — масса растворенного вещества, г;

V — объем раствора, л.

При одинаковой молярной концентрации равные объемы растворов различных веществ содержат одинаковое число молекул. Молярность легко вычислить, зная процентную концентрацию и плотность раствора.

С_m =

Нормальная концентрация, или нормальность (N), — количество грамм-эквивалентов растворенного вещества в 1 литре раствора:

N =

Так как химические вещества взаимодействуют друг с другом в эквивалентных количествах (закон эквивалентов), то растворы одинаковой нормальности реагируют в равных объемах. В общем случае объемы растворов прореагировавших веществ обратно пропорциональны их нормальностям:

Очень важно уяснить, что произведение NV — общее количество грамм-эквивалентов растворенного вещества в объеме раствора V. Если известна процентная концентрация раствора, то нормальность рассчитывают по формуле:

N =

Титр (Т) — количество граммов растворенного вещества в 1 мл раствора. Титр и нормальность связаны между собой простым соотношением:

Т = или N =

Связь между титром и процентной концентрацией устанавливается формулой

Т =

Моляльность — количество молей растворенного вещества, приходящееся на 1000г растворителя:

С =

Приготовление растворов.

Приготовление растворов является одной из важнейших операций в химической практике. Одним из основных растворителей в хим. анализе является вода. Вода используется только дистиллированная, так как обычная питьевая вода содержит помимо солей жесткости ряд органических соединений, растворенный в воде углекислый газ, хлор и соединения хлора, образовавшиеся в результате хлорирования воды.

Чаще всего растворы готовят из рассчитанных количеств отдельных компонентов. При этом обычно твердые вещества берут по массе, а жидкие — по объему. Для приготовления растворов приблизительной концентрации навеску вещества берут на технохимических весах, требуемый объем растворителя отмеривают с помощью мерного цилиндра. Растворение ведут в стакане или колбе, в которой предполагается хранить раствор.

Массу растворяемого вещества, необходимую для приготовления определенного количества раствора заданной процентной концентрации, рассчитывают по формулам:

где m — масса раствора, г;

V — объем раствора, мл;

р — его плотность, г/мл

В первом случае массу воды, которая требуется для приготовления заданного раствора, определяют по разности:

Если для растворения применяют твердое вещество, содержащее кристаллизационную воду, то его массу находят по формуле:

mB =

где М₁ и М₂ — молекулярные массы кристаллогидрата и безводного вещества соответственно.

Для приготовления раствора определенной концентрации разбавлением более концентрированного раствора или путем смешения двух растворов с различной концентрацией пользуются правилом смешения:

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ.

1. Какой объем воды надо прилить к 0,5 г сахара, чтобы получить 1 %-ный раствор? Ответ: 49,5 мл.;

m (сахара) = 0,5 г
ω (cах.) = 0,01 (1 %)

1) m (р-ра) В 100 г р-ра – 1 г сахара
х — 0,5 г сахара
2) m (H₂O) = 50 – 0,5 = 49,5 г
49,5 г
3) V(Н₂О) = ———— = 49,5 мл
1 г/мл
Ответ: V(Н₂О) = 49,5 мл

2. Какую массу соли надо добавить к 200 мл воды, чтобы получить 3 %-ный раствор? Ответ: 6,2 г.;

1) 3 %-ный раствор – это на 100 г р-ра – 3 г соли и 97 г воды

2) 2) m (200 мл Н2О) = 200 мл · 1 г/мл = 200 г

3) 3) m (соли) = ?
3 г соли – на 97 г Н₂О
х — 200 г Н₂О
3 х 200
х = ———- = 6,2 г.
97
Ответ: m (соли) = 6,2 г

3. Смешали 0,4 г соли и 200 мл воды. Какова массовая доля соли в полученном растворе? Ответ: 0,002.;

m (с) = 0,4 г
V(Н₂О) = 200 мл

1) m (H₂O) = 200 мл х 1 г/мл = 200 г
m (р-ра) = 200 г х 0,4 г = 200,4 г
2) m (H₂O) = 50 – 0,5 = 45,5 г
0,4 г
ω(c) = ———- = 0,002 (0,2 %-ный)
200,4 г
Ответ: ω(с) = 0,002 (0,2 %-ный)

4. Смешали гидроксид натрия NaOH в количестве 1 моль с 1 л воды. Какова массовая доля гидроксида натрия в полученном растворе? Ответ: 0,038;

n(NaOH) = 1 моль
V(Н₂О) = 1 л

m(NaOH) = 1 моль х 40 г/моль = 40 г
m (H₂O) = 1000 мл х 1 г/мл = 1000 г
m (р-ра) = 1000 г + 40 г = 1040 г
40 г
ω(NaOH) = —— = 0,038 (3,8 %)
1040 г
Ответ: (NaOH) = 0,038 (3,8 %)

5. К 150 г 20 %-ного раствора соляной кислоты прилили 200 мл воды. Каково процентное содержание соляной кислоты во вновь полученном растворе? Ответ: 0,086 (8,6 %).;

m (p. HCl) = 150 г
W(HCl) = 0,2 (20 %)
V(Н₂О) = 200 мл

m (HCl) = 150 г х 0,2 = 30 г
m (p-ра) = 150 г + 200 г = 350 г
m (H2O) = 200 мл х 1 г/мл = 200 г

30 г
ω(HCl) = —————— = 0,086 (8,6 %)
350 г
Ответ:ω(HCl) = 0,086 (8,6 %).

6. К 120 г 1 %-ного раствора сахара прибавили 4 г сахара. Каково процентное содержание сахара во вновь полученном растворе? Ответ: 0,042 (4,2 %).;

m (p. сахара) = 120 г
ω= 0,01 (1 %)
m(сахара) = 4 г

m(сахара) = 120 г х 0,01 = 1,2 г
m(всего сахара) = 1,2 + 4 г = 5,2 г
m (р-ра) = 120 г + 4 г = 124 г
5,2 г
ω(cахара)= ————— = 0,042 (4,2 %)
124 г
Ответ: 0,042 (4,2 %).

Задачи:

1. Какую массу соли и объем воды необходимо взять для приготовления:70 г 2 %-ного раствора (ответ: 1,4 г, H₂O — 68,6 мл);

2. Какой объем воды надо прилить к 0,5 г сахара, чтобы получить 1 %-ный раствор? Ответ: 45,5 мл.;

3. Смешали 0,5 г соли и 300 мл воды. Какова массовая доля соли в полученном растворе? Ответ: 0,00166.;

4. Смешали гидроксид натрия NaOH в количестве 1 моль с 1 л воды. Какова массовая доля гидроксида натрия в полученном растворе? Ответ: 0,038;

5. К 200 г 40 %-ного раствора уксусной кислоты долили 300 мл воды. Каково процентное содержание уксусной кислоты во вновь полученном растворе? Ответ: 0,16 (16 %).;

6. Сколько миллилитров воды надо добавить к 70 г 20 %-ного раствора серной кислоты, чтобы получить 3 %-ный раствор? Ответ: 396,7 мл.;

7. Смешали 20 г 0,5 %-ного раствора сахара с 20 г 1 %-ного раствора сахара. Какова массовая доля сахара во вновь полученном растворе? Ответ: 0,0075 (0,75 %).;

8. Какова массовая доля нитрата калия в растворе, полученном после смешивания 90 г 2 %-ного раствора и 110 г 5 %-ного раствора нитрата калия. Ответ: 0,0365 (3,65 %).;

9. Определить молярную концентрацию 18 %-ного раствора соляной кислоты, плотность которого равна 1,089 г/мл. Ответ: 5,37 моль/л.;

10. Какой объем 36,5 %-ного раствора соляной кислоты (пл. 1,18 г/мл) необходимо взять для приготовления 1000 мл 0,1 молярного раствора? Ответ: 8,47 мл.;

11. Определить массовую долю бромоводорода в растворе, полученном при растворении 280 л (н. у.) бромоводорода в 1 л воды. Ответ: 50,31 %.;

12. Определить массу воды, в которой нужно растворить 44,8 л хлороводорода (н. у.), чтобы получить 14,6 %-ный раствор соляной кислоты. Ответ: 427 г.;

13. Сколько граммов надо взять 10 %-ного раствора и 35 %-ного раствора соляной кислоты, чтобы получить 300 г 20 %-ного раствора соляной кислоты? Ответ: 120 г (35 %) и 180 г (10 %).;

14. Как превратить 40 %-ный раствор соли в 5 %-ный? Ответ: 1 : 7.;

15. Рассчитайте объем 6 М раствора KOH ( ρ = 1,395 г/мл), необходимый для приготовления 100 г 10% раствора KOH.

16. Вычислите массовую долю раствора Na₂SO₄, полученного при растворении 10г Na₂SO₄ × 10H₂O в 150 г 5%-ного раствора Na₂SO₄.

17. Рассчитайте молярную концентрацию 0,9 %-ного раствора хлорида натрия ( ρ = 1 г/мл).

Источник