Концентрация растворов. Способы выражения концентрации растворов.
Концентрация раствора может выражаться как в безразмерных единицах (долях, процентах), так и в размерных величинах (массовых долях, молярности, титрах, мольных долях).
Концентрация – это количественный состав растворенного вещества (в конкретных единицах) в единице объема или массы. Обозначили растворенное вещество — Х, а растворитель — S. Чаще всего использую понятие молярности (молярная концентрация) и мольной доли.
Способы выражения концентрации растворов.
1. Массовая доля (или процентная концентрация вещества) – это отношение массы растворенного вещества m к общей массе раствора. Для бинарного раствора, состоящего из растворённого вещества и растворителя:
,
ω – массовая доля растворенного вещества;
mв-ва – масса растворённого вещества;
Массовую долю выражают в долях от единицы или в процентах.
2. Молярная концентрация или молярность – это количество молей растворённого вещества в одном литре раствора V:
,
C – молярная концентрация растворённого вещества, моль/л (возможно также обозначение М, например, 0,2 М HCl);
n – количество растворенного вещества, моль;
V – объём раствора, л.
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.
3. Моляльная концентрация (моляльность) раствора С(x) показывает количество молей n растворенного вещества в 1 кг растворителя m:
,
С (x) – моляльность, моль/кг;
n – количество растворенного вещества, моль;
4. Титр – содержание вещества в граммах в 1 мл раствора:
,
T – титр растворённого вещества, г/мл;
mв-ва – масса растворенного вещества, г;
5. Мольная доля растворённого вещества – безразмерная величина, равная отношению количества растворенного вещества n к общему количеству веществ в растворе:
,
N – мольная доля растворённого вещества;
n – количество растворённого вещества, моль;
nр-ля – количество вещества растворителя, моль.
Сумма мольных долей должна равняться 1:
Иногда при решении задач необходимо переходить от одних единиц выражения к другим:
ω(X) — массовая доля растворенного вещества, в %;
М(Х) – молярная масса растворенного вещества;
ρ= m/(1000V) – плотность раствора. 6. Нормальная концентрация растворов (нормальность или молярная концентрация эквивалента) – число грамм-эквивалентов данного вещества в одном литре раствора.
Грамм-эквивалент вещества – количество граммов вещества, численно равное его эквиваленту.
Эквивалент – это условная единица, равноценная одному иону водорода в кислотоно-основных реакциях или одному электрону в окислительно – восстановительных реакциях.
Для записи концентрации таких растворов используют сокращения н или N. Например, раствор, содержащий 0,1 моль-экв/л, называют децинормальным и записывают как 0,1 н.
,
СН – нормальная концентрация, моль-экв/л;
z – число эквивалентности;
Растворимость вещества S — максимальная масса вещества, которая может раствориться в 100 г растворителя:
Коэффициент растворимости – отношение массы вещества, образующего насыщенный раствор при конкретной температуре, к массе растворителя:
Источник
Тема: «Способы выражения концентрации растворов»
Тема: «Способы выражения концентрации растворов»
Цель работы: 1) Освоение методики приготовления раствора заданной концентрации методом разбавления;
2) Определение концентрации приготовленного раствора по его плотности.
Количественной характеристикой любого раствора является его состав, который выражается концентрацией.
Концентрация раствора определяет отношение количества (моль) или массы (г) данного компонента в растворе к массе или объему раствора либо растворителя.
В химической практике наиболее часто используются следующие виды выражения концентрации растворов:
1. Массовая доля или процентная концентрация вещества В, ω (B) – отношение массы данного компонента m (B) к массе всего раствора mр-ра:
или 
.
Выражается в долях единицы или процентах.
2. Молярная доля или мольная доля вещества B, N(B) — отношение количества вещества данного компонента — nB, содержащегося в растворе, к общему количеству всех компонентов раствора (
):
Выражается в долях единицы или процентах.
3. Молярная концентрация вещества B или молярность, С(B) – отношение количества данного компонента – νB, содержащегося в растворе, к объёму раствора Vр-ра:
; 
,
где mB, MB –масса и молярная масса вещества В.
Выражается в моль/л и обозначается буквой М.
4. Молярная концентрация эквивалента вещества B или нормальная концентрация, Сэ(B) – отношение количества эквивалента данного компонента– νэ B, содержащегося в растворе, к объёму раствора Vр-ра:
; 
,
где mв, Мэ в — масса и молярная масса эквивалента вещества B.
Выражается в моль/л или обозначается н.
5. Моляльная концентрация вещества B или моляльность, Cт(B) — отношение количества вещества данного компонента — νB, содержащегося в растворе, к массе растворителя (в кг) mр-ля:
.
Выражается в моль/кг.
6. Титр раствора по веществу В, Т(В) – отношение массы данного компонента (в граммах) — mв, содержащегося в растворе, к объёму раствора (в мл или см3) – Vр-ра:
.
Выражается в г/мл или г/см3.
Существует несколько методов приготовления раствора заданной концентрации, среди них наиболее простым является метод разбавления.
Для приготовления раствора соли с заданной массовой долей (%) из более концентрированного раствора, надо знать плотность исходного раствора. Ориентировочное определение процентной концентрации растворенного вещества в полученном растворе в пределах точности ±0,5% может быть проведено путем экспериментального измерения плотности раствора и последующего нахождения концентрации, соответствующей измеренной плотности, по табличным данным, имеющимся для кислот, растворимых оснований и большинства солей в справочниках.
Плотность растворов определяется с помощью специальных приборов – ареометров (денсиметров) – при этом точность определения не превышает третьего знака после запятой.
Ареометр (рис. 1) представляет собой стеклянный сосуд, состоящий из двух частей – широкой и узкой. Широкая часть ареометра заполнена дробью, а на узкую часть нанесена шкала с делениями. Каждому делению соответствует определенная плотность. Ареометры обычно находятся в комплекте, позволяющем измерять плотность растворов в широком интервале. Если ареометр предназначен для измерения плотностей больших, чем измеряемая, то он тонет в растворе, если наоборот, то жидкость выталкивает его. Поэтому при измерении плотности жидкости нужно хотя бы ориентировочно знать плотность исследуемого раствора.
Для измерения плотности жидкость наливают в цилиндр и осторожно опускают в нее ареометр. Измерение производят, если ареометр свободно плавает в растворе, не касаясь дна и стенок цилиндра. Плотность раствора определяется делением шкалы ареометра, до которого он погружается в раствор. Отсчет производят по нижнему краю мениска. По величине экспериментально определенной плотности находят процентную концентрацию раствора, используя табличные данные.
Если в таблице отсутствует точное значение плотности, определенное ареометром, применяют метод интерполяции, который заключается в том, что в узком интервале концентраций зависимость между плотностью и концентрацией считают линейной. Делают это следующим образом.
Допустим, что плотность раствора хлорида натрия, определенная ареометром, равна 1,024 г/см3. В таблице 1 имеются значения плотности 1,020
 |
 |
и 1,027 г /см3, которым соответствуют концентрации 3% и 4 %. Следовательно, при изменении концентрации на 1% плотность изменяется на величину 0,007. Разность между экспериментально определенной плотностью и ближайшим меньшим табличным значением составляет (1,024 – 1,020) = 0,004. Составляем пропорцию и находим поправку к концентрации:
Таким образом, концентрация полученного раствора хлорида натрия равна сумме меньшей табличной величины и поправки, найденной методом интерполяции: 3% + 0,57% = 3,57%.
3.1 Активные клавиши
Рис. 3.1. Функции манипулятора
Левая клавиша мыши (ЛКМ) — при нажатии берется объект (пробирка, палочка для перемешивания, капельница)
Средняя клавиша мыши (СКМ) — при прокрутке назад (на себя) сцена отдаляется, при прокрутке вперед (от себя) сцена приближается.
Правая клавиша мыши (ПКМ) — при нажатии на объект происходит действие (из капельницы капает вещество, в колбе перемешивается вещество)
движение вправо — сцена движется вправо,
движение влево — сцена движется влево,
движение вверх — сцена движется вверх,
движение вниз — сцена движется вниз.
3.2 Лабораторное оборудование
Для проведения лабораторной работы необходимо следующее оборудование:
· Мерный цилиндр на 100 мл
· 2 лабораторных бутыли с надписью:
— 16% раствор NaCl
· 2 капельницы с надписью:
— 16% раствор NaCl
Рис. 3.2. Лабораторные бутыли (большие) и капельницы (маленькие)
Справа находится кнопка вызова меню (рис. 3.3). В меню можно увидеть кнопки увеличения мерного цилиндра и ареометра (на рис. 3.4. А и Б соответственно для вызова цилиндра и ареометра), кнопки управления («Начать заново», «Выход»), окно с подсказками к текущему опыту в лабораторной работе (количество и порядок добавления веществ в цилиндр), кнопку для вызова окна настроек (рис. 3.5), в котором можно включить полноэкранный режим, настроить качество графики. Для выхода из полноэкранного режима нажать клавишу ESC.
Рис. 3.3. Кнопка вызова бокового меню
Рис.3.4. Боковое меню: А – кнопка для вызова (приближения) цилиндра, Б – кнопка для вызова (приближения) ареометра
Рис. 3.5. Окно настроек
4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ
Цель работы: 1) освоение методики приготовления раствора заданной концентрации методом разбавления;
2) определение концентрации приготовленного раствора по его плотности.
Опыт № 1. Приготовление раствора хлорида натрия заданной концентрации разбавлением
Рассчитайте, какие объемы исходного раствора и воды необходимы для приготовления 100 мл раствора хлорида натрия заданной концентрации (пример расчета см. ниже). Отмерьте рассчитанный объем дистиллированной воды мерным цилиндром; последние порции воды прибавляйте по каплям из капельницы. Затем в этот же цилиндр долейте исходного раствора до метки 100 мл; последние порции воды прибавляйте по каплям из соответствующей капельницы. Уровень жидкости определите по нижнему краю мениска.
Полученный раствор слейте в коническую колбу и тщательно перемешайте круговыми движениями. Чтобы установить точную концентрацию приготовленного раствора, налейте его в мерный цилиндр и измерьте его плотность с помощью ареометра.
1. В мерный цилиндр вставляем аналитическую воронку (нажимаем ЛКМ на воронку).
2. Через воронку в мерный цилиндр наливаем 25-27 16% раствора NaCl (нажатие ЛКМ на большой бутыль);
3. Убираем воронку (нажатие ЛКМ);
4. Поднимаем мерный цилиндр и оставляем его на уровне глаз (нажатие ЛКМ);
5. Последние порции раствора прибавляем по каплям из капельницы с надписью «16% раствор NaCl» (нажимаем ЛКМ на капельницу, чтобы взять ее, и нажимаем ПКМ, чтобы добавить раствор по каплям)
6. Для приближения цилиндра нажмите на иконку с его изображением в боковом меню (рис. 3.4. (А));
7. Убираем капельницу с раствором (нажатие ЛКМ);
8. Мерный цилиндр с отмеренным количеством раствора ставим на стол (нажатие ЛКМ);
9. Вставляем в мерный цилиндр аналитическую воронку (нажатие ЛКМ);
10. Через воронку в цилиндр наливаем воду из бутыли с надписью «Вода» до метки 95-97 мл (нажимаем ЛКМ на бутыль с водой)
11. Убираем воронку (нажатие ЛКМ);
12. Поднимаем мерный цилиндр и оставляем его на уровне глаз (нажатие ЛКМ);
13. Последние порции воды добавляем из капельницы с надписью «Вода» (нажимаем ЛКМ, чтобы взять капельницу, нажимаем ПКМ, чтобы добавить воду по каплям), добавляем ее до отметки 100 мл;
14. Берем коническую колбу (нажатие ЛКМ);
15. Полученный раствор переливаем в коническую колбу (нажатие ПКМ на цилиндр), раствор перемешивается и переливается обратно в цилиндр;
16. Ставим цилиндр на стол (нажатие ЛКМ);
17. Берем ареометр (нажатие ЛКМ на ареометр);
18. Опускаем ареометр в мерный цилиндр с приготовленным раствором;
19. Для приближения ареометра нажмите на иконку с его изображением в боковом меню (рис. 3.4. (Б));
Прим. если приближен цилиндр, то для вызова ареометра необходимо еще раз нажать на иконку с изображением цилиндра, чтобы убрать его с экрана
20. Измеряем плотность (снимаем показания со шкалы ареометра по нижнему мениску на голубом фоне воды)
21. По табличным данным, на основе измеренной плотности, определяем концентрацию полученного раствора.
По измеренной плотности найдите процентную концентрацию хлорида натрия в растворе (см. табл. 1). В случае отклонения плотности полученного раствора, определенной ареометром, от табличного значения, используйте метод интерполяции. Составьте отчет по проделанной работе, включив в него:
— расчет и методику приготовления раствора;
— рисунки ареометра и использованной посуды (рис. 1-4);
— результат определения плотности и процентной концентрации (массовой доли) приготовленного раствора;
— сравнение полученного значения процентной концентрации раствора с заданной;
— расчет абсолютной и относительной ошибки приготовления раствора по формулам:
; 
;
— расчет молярной и нормальной концентрации полученного раствора;
Какие объемы воды и 18%-ного (по массе) раствора NaCl нужно взять для приготовления 100 мл 5%-ного (по массе) раствора NaCl.
1). Найдем массу 100 мл 5%-ного раствора NaCl. Для этого по табл. 1 определим плотность 5%-ного раствора: ρ = 1,034 г/см3. Масса раствора составляет 100*1,034=103,4 г.
2). Определим массу NaCl, содержащуюся в 103,4 г этого раствора. Она равна 5* 103,4 / 100 = 5,17 г.
3). Найдем массу 18% раствора, содержащего 5,17 г NaCl. Она составляет 5,17*100 /18 = 28,72 г.
4). Рассчитаем объем 18% раствора, предварительно определив по табл. 1 плотность исходного раствора р=1,132 г/см3. Искомый объем исходного раствора NaCl равен 28,72 /1,132 ≈25,4 мл.
5). Найдем объем Н2О, необходимый для приготовления 100 мл 5% раствора NaCl. Он составляет 100-25,4 ≈ 74,6 мл.
Ответ: для приготовления 100 мл 5% раствора NaCl требуется 25,4 мл 18% раствора NaCl и 74,6 мл воды.
Плотность водного раствора хлорида натрия при 20°С
Источник
