1.2. Способы выражения состава раствора и концентрации растворенного вещества

Состав раствора количественно принято выражать через безразмерные относительные величины - массовая доля, объемная доля, молярная (мольная) доля и размерные величины - концентрации. В соответствии с рекомендациями IUPAC концентрацией растворенного вещества (не раствора) называют отношение количества растворенного вещества или его массы к объему раствора; концентрацию обычно выражают в моль/л или г/л.

Массовая доля - это отношение массы растворенного вещества к массе раствора:

Массовая доля показывает, какую часть от общей массы раствора составляет растворенное вещество. Массовая доля может также выражаться и в %:

Объемная доля - это отношение объема растворенного вещества (жидкость) к объему раствора:

Эту величину используют и для расчетов смесей газов.

Молярная (мольная) доля - это отношение количества растворенного вещества к общей сумме количеств веществ всех компонентов раствора:

,

где n_общ = n₁ + n₂ + … n_n; молярная доля может выражаться в частях или в процентах.

Молярная концентрация (молярность). В международной системе единиц (СИ) за единицу количества вещества принят моль.

Моль - количество вещества, содержащее столько структурных единиц (молекул, атомов, ионов, электронов, долей молекул или ионов) сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода С¹².

Масса одного моля вещества называется молярной массой, обозначается буквой М, в круглых скобках указывается частица. Основной единицей молярной массы в СИ является кг/моль, но в аналитических расчетах чаще используют г/моль. Молярная масса равна отношению массы вещества (m) к его количеству (n):

Молярная концентрация - это отношение количества растворенного вещества к объему раствора:

В СИ молярная концентрация выражается в моль/м³, или гораздо чаще моль/дм³, или моль/л. Форма записи: С(H₂SO₄) = =1,5 моль/л, С(НCl) = 0,01 моль/л. Читается: 1 моль/л - одномолярный раствор; 0,1 моль/л - децимолярный раствор; 0,02 моль/л - двусантимолярный раствор; 0,005 моль/л - пятимиллимолярный раствор и т.д.

Молярная концентрация эквивалента. Эквивалентная, нормальная, или употребляется термин «молярная концентрация эквивалента» - показывает количество вещества n_э, растворенное в 1 дм³ (л) раствора.

Допускается обозначение С_н, N или С (с указанием в скобках частицы, соответствующей эквиваленту). Например: С(1/5КМnО₄); С(I/2H₂SО₄); C(1/6К₂Сr₂O₇); C(Na₂S₂O₃).

Эквивалентом называется некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образом эквивалентной одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

При использовании термина «эквивалент» всегда необходимо указывать, к какой конкретно реакции он относится, исключая те случаи, когда отсутствует вероятность двусмысленного толкования.

Эквивалент кислоты (или основания) - такая условная частица данного вещества, которая в данной реакции высвобождает один ион водорода, или соединяется с ним, или каким-либо другим образом эквивалентна ему.

Эквивалент окисляющегося (или восстанавливающегося) вещества - такая условная частица данного вещества, которая в данной химической реакции может отдать один электрон или присоединить его, или каким-либо другим образом эквивалентна одному электрону.

Число, показывающее, во сколько раз эквивалент меньше, чем соответствующая формульная единица вещества, участвующего в конкретной реакции, называется числом эквивалентности Z .

Для указания части, которую составляет эквивалент от формульного обозначения вещества, введено понятие «фактор эквивалентности» - f_экв. Фактор эквивалентности вещества - это величина, обратная числу эквивалентности Z этого вещества в данной химической реакции, он показывает, какую долю составляет условная частица вещества от реальной частицы:

Например. Определите числа эквивалентности (Z), факторы эквивалентности (f_экв) и молярные массы эквивалентов серной кислоты в реакциях нейтрализации:

H₂SО₄ + NaOH = NaHSO₄ + H₂O (1)

H₂SО₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O (2)

В реакции (1): Z = 1; f_экв = 1; М(H₂SО₄) = 98,08 г/моль;

в реакции (2): Z = 2; f_экв = 1/2; M(1/2 H₂SО₄) = 49,04 г/моль.

Фактор эквивалентности относят не только к реагирующим веществам, а и к каждой частице (атому, молекуле, иону) этих веществ. Например, для взаимодействий:

а) H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂О

H₃PO₄  PO₄^3-, f_экв (H₃PO₄) = f_экв (PO₄^3-) = 1/3;

б) Al(OH)₃ + 3HCl = AlCl₃ + 3H₂O

Al(OH)₃  Al³⁺, f_экв (Al(OH)₃) = f_экв (Al³⁺) = 1/3;

в) AlCl₃ + 4NaOH = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

Al³⁺ + 4OH^- = [Al(OH)₄]^-

f_экв (Al³⁺) = f_экв ([Al(OH)₄]^-) = 1/4;

Фактор эквивалентности дает также отношение молярной концентрации вещества в растворе к его молярной концентрации эквивалента:

Для эквивалентов как условных частиц правомочны понятия: молярная масса эквивалента – M_экв, M(1/Z в-вa); M(f в-ва); количество вещества эквивалента n_экв, n(1/Z в-ва), n(f в-вa).

Молярная масса эквивалента М_экв - это масса одного моля эквивалентов этого вещества, численно равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу данного вещества:

В тех случаях, когда фактор эквивалентности равен единице, использование термина «нормальный» раствор не рекомендуется, в этих случаях следует пользоваться исключительно термином «молярный» раствор.

Закону эквивалентов можно дать несколько формулировок:

Вещества реагируют и образуются в эквивалентных количествах. Эквивалентные количества всех веществ, участвующих в реакции, одинаковы.

Все вещества взаимодействуют и образуются в равных количествах вещества эквивалентов. Например, для реакций:

а) H₃PO₄ + 3NaOH = Na₃PO₄ + 3H₂О

Z 3 1 3 1

f_экв 1/3 1 1/3 1

n (моль) 1 3 1 3

n_экв (моль) 3 3 3 3

б) 2Fe(ОH)₃ + 3H₂SО₄ = Fe₂(SО₄)₃ + 6H₂О

Z 3 2 6 1

f_экв 1/3 1/2 1/6 1

n (моль) 2 3 1 6

n_экв (моль) 6 6 6 6

Следует обратить внимание, что используемые в учебниках прошлых лет понятия «грамм-атом», «грамм-ион», «грамм-молекула» заменены в настоящее время единым понятием «молярная масса», а понятие «грамм-эквивалент» - понятием эквивалентная масса, или «молярная масса эквивалента» (второе на слух воспринимается лучше, его мы и будем придерживаться в этом пособии).

Значения эквивалента, фактора эквивалентности, числа эквивалентности для окислительно-восстановительных реакций зависят от того, в какой реакции участвует данное вещество. Например, определим числа эквивалентности (Z), факторы эквивалентности (f) и молярные массы эквивалентов азотной кислоты во взаимодействиях, соответствующих следующим уравнениям реакций:

а) Pb + 4HNO₃ = Pb(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

б) 3Ag + 4HNO₃ = 3AgNO₃ + NO + 2H₂O

в) 4Са + 10HNO₃ = 4Ca(NO₃)₂ + N₂O + 5H₂O

г) 5Сo + 12HNO₃ = 5Co(NO₃)₂ + N₂ + 6H₂O

д) 4 Mg + 10HNO₃ = 4Mg(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O

Решение.

a) N⁺⁵ +1ē  N⁺⁴; Z = 1; f = 1; M(HNO₃) = 63,0 г/моль

б) N⁺⁵ +3ē  N⁺²; Z = 3; f = 1/3; M(1/3HNO₃) = 21,0 г/моль

в) N⁺⁵ +4ē  N⁺¹; Z = 4; f = 1/4; M(1/4HNO₃) = 15,75 г/моль

г) N⁺⁵ +5ē  N⁰; Z = 5; f = 1/5; M(1/5HNO₃) = 12,6 г/моль

д) N⁺⁵ +8ē  N^-3; Z = 8; f = 1/8; M(1/8HNO₃) = 7,88 г/моль

Таким образом, для приготовления растворов заданной молярной концентрации эквивалента необходимо четко знать, для какого взаимодействия данный раствор будет использоваться.

В титриметрическом анализе для выражения концентрации, стандартных растворов используют понятие титр (Т). Титр - это масса вещества, содержащаяся в 1 мл стандартного раствора. Титр раствора вычисляется по формуле:

или через молярную концентрацию эквивалента: