Растворы. Способы выражения концентрации растворов

Растворы. Способы выражения концентрации растворов

Важной характеристикой раствора является концентрация.

Концентрация – это величина, измеряемая количеством растворенного вещества, содержащегося в определенной массе или объеме раствора или растворителя.

Наиболее часто применяемые способы выражения концентрации: массовая доля, молярная концентрация, молярная концентрация эквивалента, моляльность, молярная доля, объемная доля, титр.

Массовую долю w(X) выражают в долях единицы, процентах (%), промилле (тысячная часть процента) и в миллионных долях (млн^–1) . Массовую долю рассчитывают по формулам:

,

где m(X) – масса растворенного вещества Х, кг (г);

m_р-ра – масса раствора, кг (г).

Например: дан 0.85% раствор хлорида натрия. Это означает, что в 100 г раствора содержится 0.85 г NaCl.

Молярную концентрацию с(Х) выражают в моль/л. Молярную концентрацию находят по формуле:

,

где n(X) – количество растворенного вещества, моль;

M(X) – молярная масса растворенного вещества, кг/моль, или г/моль;

m(X) – масса растворенного вещества, соответственно, кг или г;

V_р-ра – объем раствора, л.

Например: дан 0.2 М раствор BaCl₂. Это означает, что в 1 л (1000 мл) раствора содержится 0.2 моль BaCl₂ и масса хлорида бария m (BaCl₂) = с·M·V = 0.2 моль/л·208 г/моль·1 л = 41.6 г.

Моляльность с_m(X) или b(X) выражают в единицах моль/кг. Рассчитываем моляльность по формуле:

,

где m (р-ль) – масса растворителя, кг.

Моляльность показывает, сколько моль растворенного вещества Х приходится на 1 кг растворителя.

В химии широко используют понятие эквивалента и фактора эквивалентности.

Эквивалентом называют реальную или условную частицу вещества Х, которая в данной обменной реакции обменивает один однозарядный ион или в данной окислительно–восстановительной реакции переносит один электрон.

Фактор эквивалентности f_экв(Х) – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно–основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции.

Фактор эквивалентности рассчитывают на основе стехиометрии данной реакции из равенства:

f_экв(Х) = 1/z,

где z – основность кислоты или кислотность основания данной кислотно-основной реакции, или число электронов, присоединяемых или теряемых частицей в данной окислительно-восстановительной реакции.

Фактор эквивалентности зависит от реакции, в которой участвует данное вещество; так для фосфорной кислоты в реакциях:

H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O; f_экв = 1/1.

H₃PO₄ + 2 NaOH → Na₂HPO₄ + 2H₂O; f_экв = 1/2.

H₃PO₄ + 3 NaOH → Na₃PO₄ + 3H₂O; f_экв = 1/3.

Для перманганата калия в реакциях:

MnO₄^- + 8H⁺ + 5ē → Mn²⁺ + 4 H₂O; f_экв = 1/5.

MnO₄^- + 2 H₂O + 3ē → Mno₂ + 4 OH^-; f_экв = 1/3.

MnO₄^- + 1ē → MnO₄^2-; f_экв = 1/1.

Для иодид-иона и иода в реакции:

2I^- - 2ē → I₂⁰; f_экв(I^-) = 1/1; f_экв(I₂) = 1/2.

Молярной массой эквивалента вещества Х (масса одного моль эквивалента вещества) называют величину, измеряемую произведением фактора эквивалентности на молярную массу вещества Х.

М(f_экв(Х)) = f_экв·М(Х),

где М(f_экв(Х)) – молярная масса эквивалента.

Единица измерения молярной массы эквивалента – г/моль.

Соответственно для растворов используют понятие молярной концентрации эквивалента (нормальная концентрация).

Молярную концентрацию эквивалента (нормальность) с(f_экв(Х)) рассчитывают по формуле:

,

где n (f_экв (Х)) – количество вещества эквивалента, моль;

V_р-ра – объем раствора, л;

M (f_экв(Х)) – молярная масса эквивалента.

Молярную концентрацию эквивалента (нормальную концентрацию) обозначают c(f_экв(Х)). Единицы ее измерения – моль/м³, моль/дм³, моль/л. В медицине чаще используют единицу моль/л. Форма записи, например,
с KMnO₄ (¹/₅) = 0.1 моль/л или 0.1 н. KMnO₄. Это означает, что в 1 л раствора содержится 0.1 моль эквивалента перманганата калия.

Молярная концентрация эквивалента (нормальность) связана с молярной концентрацией (молярностью) следующим выражением:

.

Молярную долю x(X_i) выражают в долях единицы или в процентах. Молярную долю рассчитывают по формуле:

,

где n(X_i)– количество вещества данного компонента, моль;

– суммарное количество всех компонентов раствора, моль.

Объемную долю φ(Х) выражают в долях единицы или в процентах, ее рассчитывают по формуле

,

где V(Х)– объем данного компонента Х, л;

V_р-ра – общий объем раствора, л.

Титр раствора обозначают T(X), единица измерения – г/см³, г/мл. Титр раствора можно рассчитать по формуле:

,

где m(Х) – масса вещества, обычно г;

V_р-ра – объем раствора, мл.

Титр показывает, какая масса вещества содержится в 1 мл его раствора.

В клинической практике нередко выражают концентрацию ионов в миллиграмм–процентах (мг %). Это масса вещества, выраженная в миллиграммах на 100 мл раствора.

Формулы перехода от одних способов выражения концентрации к другим см. прил., табл. №2.

Задача 1.

В 180 г воды растворили H₃PO₄ массой 9.8 г. Определите молярную долю (Х) и моляльную концентрацию (С_m) ортофосфорной кислоты.

Решение:

;

n (H₃PO₄)= = 0.1 моль;

n (H₂O) = = 10 моль;

Х (H₃PO₄) = = 0.0099;

С_m (H₃PO₄) ₌ = 0.556 моль/кг.

Ответ: Х (H₃PO₄) = 0.0099; С_m (H₃PO₄) = 0.0566 моль/кг.

Задача 2.

Массовая доля хлорида натрия в физиологическом растворе 0.9% (ρ = 1 г/мл). Вычислите: а) молярную концентрацию и титр NaCl в этом растворе; б) массу соли, веденной в организм при вливании 500 мл данного раствора.

Решение:

с(X) = ; T = ; Т = ;

с(NaCl) = = 0.154 моль/л;

Т (NaCl) = = 0.00900 г/мл;

m(NaCl) = 0.00900 г/мл · 500 мл = 4.5 г.

Ответ: с(NaCl) = 0.154 моль/л; Т(NaCl) = 0.00900 г/мл.

Задача 3.

Сколько мл 80% раствора CH₃COOH (ρ = 1.070 г/см³) необходимо для приготовления 500 мл 0.1 М раствора?

Решение:

Найдем, сколько граммов уксусной кислоты содержится в 500 мл раствора:

.

Определим, в какой массе 80% раствора уксусной кислоты содержится 3.0 г CH₃COOH:

.

Найдем объем 80% раствора CH₃COOH:

.

Ответ: V = 3.5 мл.