Способ выражения концентрации растворов аналитическая химия

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

Лекция «СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ»

Тема : Способы выражения концентрации растворов.

Цель: Актуализировать знания о растворах, количественных характеристиках растворов. Научиться применять знания о составе раствора для решения расчетных задач.

1.Растворы и их свойства.

2. Способы выражения концентрации растворов.

Растворы – это однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух или более компонентов (составных частей), относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Компонентами раствора являются растворенные вещества и растворитель. Растворитель – это компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор (например, в случае водного раствора соли растворителем является вода).

Важной характеристикой любого раствора является его состав, который определяется количеством растворенного вещества и растворителя. Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы называется концентрацией.

Известно несколько способов выражения концентрации растворов.

1) Молярная концентрация вещества В или молярность (с_В или М) – отношение количества растворенного вещества к объему раствора:

, моль/л, (1)

где n_B – количество вещества В; m_B – масса вещества, г; М_В –молярная масса вещества, г/моль; V – объем раствора, л.

2) Молярная концентрация эквивалентов вещества В или нормальность ( (В) или н.) – отношение количества эквивалентов растворенного вещества к объему раствора:

, моль/л, (2)

где n_эк(В) – количество вещества эквивалентов; m_B – масса вещества, г; М_э(В) – молярная масса эквивалентов вещества, г/моль; V – объем раствора, л.

3) Моляльная концентрация вещества В или моляльность ( ) — отношение количества растворенного вещества к массе растворителя:

, моль/кг, (3)

где n_В – количество растворенного вещества В; m_B – масса растворенного вещества, г; m_S – масса растворителя, кг; М_В — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Массовая доля вещества В (ω) – отношение массы растворенного вещества к массе раствора. Массовая доля ─ безразмерная величина, ее выражают в долях единицы или процентах:

, (4)

где m_B – масса растворенного вещества, г; m – масса раствора, г.

Если выражать массу раствора через его плотность(ρ) и объем(V), то

(5)

Молярная (мольная) доля вещества В (х_В) ─ отношение количества растворенного вещества (или растворителя) к сумме количеств всех веществ, содержащихся в растворе:

, (6)

где х_B – молярная доля растворенного вещества, n_B – количество растворенного вещества; n_S – количество растворителя.

, (7)

где х_S – молярная доля растворителя, n_B и n_S – количества растворенного вещества и растворителя.

Титр раствора вещества В (Т_В) показывает число граммов растворенного вещества, содержащегося в 1 мл (см 3 ) раствора. Титр рассчитывается по формулам:

, г/мл, (8)

где М_э(В) – молярная масса эквивалентов вещества, (В) – молярная концентрация эквивалентов;

, г/мл, (9)

где ω_В – массовая доля растворенного вещества, ρ – плотность раствора.

Примеры решения задач

Пример 7.1 . Водный раствор содержит 354 г H₃PO₄ в 1 л. Плотность раствора ρ = 1,18 г/см 3 . Вычислить: а) массовую долю (%)H₃PO₄ в растворе; б) молярную концентрацию; в) молярную концентрацию эквивалентов; г) моляльность; д) титр; е) молярные доли H₃PO₄ и Н₂О.

Решение . а) Для расчета массовой доли воспользуемся формулой (5):

%

б) Молярная масса H₃PO₄ равна 98 г/моль. Молярную концентрацию раствора находим из соотношения (1):;

= 3,61 моль/л.

в) Молярная масса эквивалентов H₃PO₄ равна 32,7 г/моль. Молярную концентрацию эквивалентов рассчитываем по формуле (2):

= 10,83 моль/л.

г) Для определения моляльности по формуле (3) необходимо рассчитать массу растворителя в растворе. Масса раствора составляет 1,18 ∙ 1000 = 1180 г.

+Масса растворителя в растворе m_S = 1180 – 354 = 826 г.

Моляльная концентрация раствора равна: 4,37 Моль/кг

д) Титр раствора можно рассчитать по формулам (8) и (9):

0,354 г/мл, или

0,354 г/мл.

е) Из данных п. б) следует, что в 1 л раствора содержится 3,61 моль H₃PO₄.

Масса растворителя в растворе 826 г, что составляет 45,9 моль.

Молярные доли H₃PO₄ и Н₂О рассчитываем по формулам (6) и (7):

0,073;

0,93.

Пример 7 .2. Сколько мл 50%-ного раствора HNO₃, плотность которого 1,32 г/см 3 , требуется для приготовления 5 л 2%-ного раствора, плотность которого 1,01 г/см 3 ?

Решение . При решении задачи пользуемся формулой (5). Сначала находим массу азотной кислоты в 5 л 2%-ного раствора:

101 г.

Затем определяем объем 50%-ного раствора, содержащего 101 г HNO₃:

1,53 мл

Таким образом, для приготовления 5 л 2%-ного раствора HNO₃ требуется 1,53 мл 50%-ного раствора HNO₃.

Пример 7 .3. На нейтрализацию 50 мл раствора кислоты израсходовано

25 мл 0,5 н. раствора щелочи. Чему равна нормальность кислоты?

Решение . Так как вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах, то можно написать

50 ∙ с_эк(кислоты) = 25 ∙ 0,5, отсюда

с_эк(кислоты) = 0,25.

Следовательно, для реакции был использован 0,25 н. раствор кислоты.

Пример 7.4 Сколько граммов 15%-ного раствора NaCl надо прибавить к 1000 г 80%-ного раствора, чтобы получить 30%-ный раствор?

Решение . Задачи такого типа решаются по правилу смешения, согласно которому массы исходных растворов, необходимые для приготовления смеси, обратно пропорциональны разности между концентрациями заданного и менее концентрированного растворов и более концентрированного и заданного растворов.

Обозначив искомую массу 15%-ного раствора через х, концентрацию 15%-ного раствора (менее концентрированного) через С₁, концентрацию 80%-ного раствора (более концетрированного) через С₂ и концентрацию 30%-ного раствора (заданного) через С₃, находим:

.

х = 3333 г.

Решение может быть также оформлено посредством диагональной схемы или «правила креста»: точкой пересечения двух отрезков прямой является заданная концентрация. У концов обоих отрезков расположены по одну сторону от точки пересечения исходные концентрации, по другую – разности концентраций, для чего по диагонали из большего значения концентрации вычитают меньшую. Затем составляют отношение масс исходных растворов и вычисляют.

Диагональная схема данной задачи имеет вид:

m₁ = x г 15 50

30 =

m₂ = 1000 г 80 15

Пример 7.5. Какой объем раствора гидроксида калия, в котором массовая доля КОН 5% (ρ =1,04 г/см 3 ), требуется для реакции с 20 мл 10%-ного раствора,

FeCl₃, плотность которого 1,087 г/см 3 ?

Решение . Находим массу 20 мл FeCl₃:

2,174 мл

По уравнению реакции FeCl₃ + 3KOH = Fe(OH)₃ + 3KCl вычисляем массу КОН, требуемую для реакции с 2,174 г FeCl₃:

162,5 г FeCl₃ ─ 168 г КОН

2,174 г FeCl₃ ─ m г КОН

2,254 г.

Находим требуемый объем раствора КОН:

43,3 мл

Итак, для реакции с 20 мл 10%-ного раствора FeCl₃ требуется 43,3 мл КОН.

Задачи для самоконтроля:

7.1. Сколько граммов растворенных веществ содержится в приведенных количествах растворов:

а) в 50 г 3%-ного раствора; б) в 300 мл 0,03 н. FeCl₃; в) в 25 мл 0,5 М BaCl₂?

(Ответ: а) 1,5 г; б) 0,49 г; в) 2,6 г.)

7.2. Сколько граммов воды и хлорида калия потребуется для приготовления 500 мл 20%-ного раствора, плотность которого 1,133 г/см 3 ?

(Ответ: Н₂О – 453,2 г; KCl – 113,3 г).

7.3. Сколько молей HNO₃ содержится в 250 мл раствора с массовой долей кислоты 30% и ρ = 1,18 г/см 3 ? (Ответ: 1,40 моль).

7.4. Водный раствор содержит 577 г H₂SO₄ в 1 л. Плотность раствора 1,335 г/см 3 . Вычислить массовую долю (%) H₂SO₄ в растворе, а также молярную концентрацию, молярную концентрацию эквивалентов, моляльность и мольные доли H₂SO₄ и Н₂О.

(Ответ: 43,22%; 5,89 моль/л; 11,77 моль/л; 7,77 моль/кг; 0,123; 0,877).

7.5. Вычислить титры растворов: а) 0,05 М NaCl; б) 0,004 н Ca(OH)₂;

в) 0,5 н HNO₃; г) 30%- ного КОН, ρ = 1,297 г/см 3 .

(Ответ: а) 0,00292 г/мл; б) 0,148 ∙ 10 ‾3 г/мл; в) 0,0315 г/мл; г) 0,389 г/мл).

7.6 . Чему равна нормальность 30%-ного раствора NaOH плотностью 1,328 г/см 3 ? К 1 л этого раствора прибавили 5 л воды. Получился раствор плотностью 1,054 г/см 3 . Вычислить массовую долю (%) NaOH в полученном растворе. (Ответ: 9,96 н.; 6,3%).

7.7. Вычислить массовую долю (%) HNO₃ в растворе и моляльность 8 н. HNO₃, плотность которого равна 1,246 г/см 3 . Каковы молярные доли HNO₃ и Н₂О в этом растворе? (Ответ: 40,45%; 10,78 моль/кг; 0,163; 0,837).

7.8. Какой объем 2 М раствора К₂СО₃ надо взять для приготовления 1 л 0,25 н. раствора? (Ответ: 62,5 мл).

7.9. Из 600 г 5%-ного раствора сульфата меди упариванием удалили 100 г воды. Чему равна массовая доля CuSO₄ в оставшемся растворе? (Ответ: 6%).

7.10 . Какой объем 50%-ного КОН (ρ = 1,538 г/см 3 ) требуется для приготовления 3 л 6%-ного раствора (ρ = 1,048 г/см 3 )? (Ответ: 245,3 мл).

7.11 . Из 5 л раствора гидроксида калия с массовой долей КОН 50% и плотностью 1,538 г/см 3 надо приготовить раствор с массовой долей КОН 18%. Какой объем воды потребуется? (Ответ: 17,5 л).

7.12 . Для осаждения в виде AgCl всего серебра, содержащегося в 100 мл раствора AgNO₃, потребовалось 50 мл 0,2 н. раствора HCl. Какова нормальность раствора AgNO₃? Какая масса AgCl выпала в осадок? (Ответ: 0,1 н.; 14,35 г).

7.13 . Сколько миллилитров 0,2 М раствора Na₂CO₃ требуется для реакции с 50 мл 0,5 М раствора CaCl₂? (Ответ: 125 мл).

7.14 . К 20 мл 16%-ного раствора сульфата марганца (II), плотность которого 1,17 г/см 3 , прибавили 20 мл 10%-ного раствора КОН, плотность которого 1,08 г/см 3 . Какое вещество взято в избытке и сколько его останется после реакции?

7.15 . В каких соотношениях надо смешать растворы серной кислоты с массовой долей H₂SO₄ соответственно 90 и 8%, чтобы приготовить раствор с массовой долей H₂SO₄ 48%? (Ответ: 20 : 21).

7.16 . Определить массы исходных растворов с массовыми долями гидроксида натрия 5% и 40%, если при их смешивании образовался раствор массой 210 г с массовой долей гидроксида натрия 10%. (Ответ: 30 г; 180 г).

7.17 . На нейтрализацию 20 мл раствора, содержащего в 1 л 12 г щелочи, израсходовано 24 мл 0,25 н. раствора кислоты. Вычислить молярную массу эквивалентов щелочи. (Ответ: 40 г/моль).

7.18 . На нейтрализацию 31 мл 0,16 н. раствора щелочи требуется 217 мл раствора H₂SO₄, Чему равны нормальность и титр раствора H₂SO₄?

(Ответ: 0,023 н.; 1,127 ∙ 10 ‾3 г/мл).

7.19 . Смешали 10 мл 10%-ного раствора HNO₃ (ρ = 1,056 г/см 3 ) и 100 мл 30%-ного раствора HNO₃ (ρ = 1,184 г/см 3 ). Вычислить массовую долю HNO₃ в полученном растворе. (Ответ: 28,36%).

1. Что представляют собой растворы и какие компоненты они имеют?

2. Как называется отношение количества вещества к объему или массе системы?

3. Что представляет собой титр раствора вещества?

Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.

Источник