1. Растворы

1.1 Способы выражения содержания растворенного

ВЕЩЕСТВА В РАСТВОРЕ

Растворы имеют первостепенное значение в практике современного химического анализа.

Важнейшей характеристикой любого раствора служит содержание в нем растворенного вещества. Существуют различные способы численного выражения содержания растворенного вещества в растворе. Ниже приведены наиболее употребляемые в аналитической химии способы.

Массовая доля растворенного вещества – отношение массы данного вещества в растворе к общей массе раствора.

 (Х) = m (X) / m, (1)

где  (Х) – массовая доля вещества Х; m (X) – масса вещества Х; m – общая масса раствора (сумма масс растворенного вещества и растворителя).

Массовая доля – безразмерная величина, ее выражают в долях единицы или в процентах.

Например, массовая доля раствора соли, содержащего 50г соли в 500г раствора равна 0,1 или 10%.

Содержание растворенного вещества можно выразить размерными вели­чинами – концентрациями.

Концентрацией раствора называется содержание растворенного вещества в определенной массе или в определенном объеме раствора или растворителя.

Молярная концентрация (молярность) - отношение количества растворенного вещества (моль) к объему раствора (л).

С_м (Х) = n(Х)/ V, (2)

где С_м (Х) - молярная концентрация вещества Х (моль/л); n(Х) - количество растворенного вещества Х (моль); V- объем раствора (л).

Для определения количества вещества нужно массу вещества m (г) разделить на молярную массу этого вещества М (г/моль):

n(Х) = m/M,

подставляя это значение в формулу (1), получаем следующее выражение:

С_м (Х) = m/(МV), (3)

Размерность С_м: моль/л.

Выражение моль/л обычно заменяют символом «М»

Например, С_м = 1,5 М или С_м = 1,5 моль/л.

В химических расчетах часто используют такой способ выражения концентрации растворов, как молярная концентрация эквивалентов (старое название - нормальность).

Обозначение: С_экв или «н».

Размерность: моль_экв/л.

Обозначение «экв.» показывает, что в качестве растворенных частиц рассматриваются эквиваленты вещества.

Устаревшее понятие «нормальность» до сих пор в силу привычки используется в практической деятельности экспертных лабораторий довольно широко, поэтому чтобы избежать путаницы, будем использовать понятия «нормальность» и «молярная концентрация эквивалентов» как синонимы.

Молярная концентрация эквивалентов – это отношение количества вещества эквивалентов к объему раствора.

н = n _экв (Х)/ V, (4)

где н - молярная концентрация эквивалентов вещества Х (нормальность); n_экв(Х) – количество эквивалентов вещества Х (моль); V- объем раствора (л).

Эквивалентом называется некая реальная или условная частица вещества, которая в кислотно – основной реакции эквивалентна (равносильна) одному иону водорода или в окислительно - восстановительной реакции – одному электрону. Для других типов реакций эквиваленты определяются исходя из стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции. Так как эквиваленты веществ могут иметь разное значение в зависимости от того, в какой реакции участвует данное вещество, было введено понятие «фактор эквивалентности» f. Фактор эквивалентности – безразмерная величина, равная единице или части единицы (1/z). Число z называют числом эквивалентности. Без указания конкретной реакции понятие «эквивалент» не имеет смысла, так как эквивалент вещества может иметь различное значение в разных реакциях.

Например:

1) H₃PО₄ + 3КОН = К₃РО₄ + 3Н₂О

2) H₃PО₄ + 2КОН = К₂НРО₄ + 2Н₂О

3) H₃PО₄ + КОН = КН₂РО₄ + Н₂О

В первом случае эквивалент фосфорной кислоты составляет (1/3 H₃PО₄), во втором – (1/2 H₃PО₄), в третьем (1 H₃PО₄)

Обычно фактор эквивалентности кислоты принимают равным 1/N (N - основность кислоты, соответствует числу ионов водорода в молекуле кислоты); фактор эквивалентности основания – 1/M (M - кислотность основания, соответствует числу групп ОН); фактор эквивалентности соли – 1/(Bn) (B - валентность атомов металла, n – число атомов металла в формуле соли).

Фактор эквивалентности вещества в окислительно-восстановительной реакции определяется по формуле:

f = 1/n, (5)

где n – число принятых или отданных частицей вещества электронов.

Молярной массой эквивалентов М_экв вещества называют массу одного моля эквивалентов этого вещества, равную произведению фактора эквивалентности на молярную массу этого вещества.

М_экв = f  М (моль/л) (6)

Для определения количества вещества эквивалентов нужно массу вещества m разделить на молярную массу эквивалентов этого вещества М_экв.

n_экв. = m / М_экв, или n_экв. = m z / M

В таблице 2 рассмотрены конкретные примеры эквивалентов различных веществ.

Таблица 2 – Примеры эквивалентов веществ.

Уравнение реакции	Формула вещества	Фактор эквивалентности (f)	Эквивалентное число (z)	Молярная масса вещества (М г/моль)	Молярная масса эквивалентов (Мэкв г/моль)
РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O	H2O	1	1	18	18
	H2SO4	1/2	2	98	49
	NaOH	1	1	40	40
	Na2SO4	1/2	2	142	71
2HCl + Ca(OH)2 = CaCl2 = 2H2O	H2O	1	1	18	18
	HCl	1	1	36,5	36,5
	Ca(OH)2	1/2	2	74	37
	CaCl2	1/2	2	111	55,5
Al2 (SO4)3 + 3BaCl2 = 2AlCl3 +3BaSO4	Al2 (SO4)3	1/6	6	342	57
	BaCl2	1/2	2	208	104
	AlCl3	1/3	3	133,5	44,5
	BaSO4	1/2	2	233	116,5
ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ
2KmnO4 + 10FeSO4 + 8H2SO4 =5Fe2(SO4)3 + mnSO4 + K2SO4 + 8H2O mnO4- + 8H+ + 5е = mn2- + 4H2O Fe2+ - е = Fe3+	KmnO4	1/5	5	158	31,6
	Fe SO4	1	1	152	152

Для характеристики состава растворов иногда используют величину, которая получила название «растворимость».

Растворимость вещества измеряется концентра­цией его насыщенного раствора. Обычно раствори­мость твердых веществ и жидкостей выражают зна­чением коэффициента растворимости, т. е. массой вещества, растворяющегося при данных условиях в 100 г растворителя с образованием насыщенного рас­твора. Растворимость вещества зависит от температуры и некоторых других факторов.

Например, растворимость AgCl при 25^оС равна 1,25^.10^-5 моль/л.

Коэффициент растворимости KNO₃ при 60^оС составляет 110г в 100г воды.

Растворимость малорастворимых веществ в чистой воде можно рассчитать, исходя из справочных данных о произведении растворимости (ПР).

Например, ПР (AgCl) = 1,8 ^. 10^-10

Поскольку ПР (AgCl) определяется соотношением [Ag⁺] ^. [Cl^-], то

[Ag⁺] = [Cl^-] = [AgCl] = √1,8 ^. 10^-10 = 1,34^. 10^-5