4. Міри концентрації розчинів.

Важливою характеристикою будь-якого розчину є його концентрація. Цією величиною визначається більшість властивостей розчинів.

Концентрація речовини – це величина, що вимірюється кількістю розчиненої речовини, що міститься у певній масі чи об’ємі розчину або розчинника.

Існують різні способи чисельного вираження складу розчинів. Найчастіше застосовують наступні способи:

        масова частка;

        об’ємна частка;

        мольна частка

        молярна концентрація;

        нормальна концентрація

        моляльна концентрація;

        титр розчину.

Масова частка – це відношення маси розчиненої речовини до маси розчину. Виражається в частці від 1 або в %:

W = m_{(розч.реч-ни)} / m_(р-ну)  100%

 

Приклад 1. Обчисліть маси розчинів сульфатної кислоти з масовими частками 15 % і 60 %, які треба змішати для приготування 100 л розчину з масовою часткою 36 % ( = 1,273 г/мл).

Розв'язання. Задачу розв’язують за правилом змішування, яке виражається формулою:

С₁                     С-С₂    (m₁)

            С    

С₂                     С₁-С    (m₂)

Підставляючи дані у формулу, одержимо:

60                     21        (7)

             36

15                     24        (8) 

Масове співвідношення вихідних речовин 7 : 8. Маса 100 л розчину H₂SO₄ з масовою часткою 36 % становить 100  1,273 = 127,3 кг. Для приготування 15 кг розчину з масовою часткою 36 % треба змішати 7 кг розчину з масовою часткою 60 % і 8 кг розчину з масовою часткою  15 %, а для приготування 127,3 кг розчину з масовою часткою 36 % необхідно х₁ кг розчину з масовою часткою 60 % і х₂ кг розчину з масовою часткою 15 %:

х₁ =  = 59,4 кг;      

х₂ =  = 67,9 кг.

Об’ємна частка  - це відношення об’єму розчиненої речовини до об’єму розчину. Виражається в частці від 1 або в %:

W_V = V_{(розч.реч-ни)}  / V_р-ну  100%

У хімії застосовують іноді масово-об’ємну частку – це відношення маси розчиненої речовини до об’єму розчину.

W = m _{розч. реч-ни} / V_р-ну  100%

Мольна частка – це відношення числа молів розчиненої речовини до загального числа молів розчину (розчинника і розчиненої речовини). Якщо розчин складається з двох компонентів – розчиненої речовини і розчинника, то мольна частка розчиненої речовини:

Х₁ = n₁/n₁+n₂

де n₁, n₂ – кількості молів розчиненої речовини у розчині і розчинника відповідно.

Молярність (молярна концентрація) – це число молів розчиненої речовини в 1 л розчину. Виражається в моль/л:

С_М = _{(розч. реч-ни)} / _{Vр– ну}  (моль/л або М)

В хімії широко користуються поняттям еквіваленту та фактору еквівалентності.

Еквівалентом називають реальну або умовну частку речовини Х, яка може приєднувати, вивільнювати або бути будь-яким іншим чином  еквівалентна одному іону гідрогену в даній кислотно-основній реакції або одному електрону в окислювально-відновній реакції.

Під умовною часткою розуміють як реально існуючі частинки (молекули, іони, електрони), так і долі таких частинок (наприклад, ½ іону) або їх групи.

Кількість речовини еквіваленту є моль.

Фактор еквівалентності f екв.(Х) – це число, яке позначає, яка доля реальної частки речовини Х еквівалентна одному іону гідрогену в даній кислотно-основній реакції або одному електрону в окислювально-відновній реакції.

Фактор еквівалентності розраховують на основі стехіометрії даної реакції з рівності

f екв.(Х) = 1/z, де z – основність кислоти або кислотність основи даної кислотно-основної реакції, а також електронів, що приймають участь у даній окислювально-відновній реакції. z- величина безрозмірна.

Молярна маса еквівалента речовини Х (маса одного моля еквівалента речовини) – величина, яка вимірюється добутком фактора еквівалентності на молярну масу речовини Х:

M (1/z X) = 1/z M (X), де M (1/z X) – молярна маса еквівалента.

Одиниці вимірювання молярної маси еквівалента – г/моль.

Нормальність (нормальна концентрація)  - це число еквівалентів розчиненої речовини в 1л розчину. Нормальність позначають N і вимірюють в молях на літр: N, моль/л.

N =  _(еквів) / V_р-ну

Доповнення до закону еквівалентів: якщо дві речовини 1 і 2 взаємодіють між собою, то для їх розчинів з концентраціями N₁ і  N₂ характерна рівність:

N₁ V₁  = N₂ V₂

Де N₁ і  N₂ – нормальності розчинів речовин 1 і 2, які взаємодіють між собою;

V₁ і V₂ – об’єми розчинів речовин 1 і 2.

Знаючи, нормальність і об’єм однієї речовини, а також об’єм іншої речовини, що вступає в реакцію з першою, можна розрахувати її нормальність:

N₂ = N₁ V₁/ V₂

Приклад 2. Визначте моляльну і молярну концентрації та молярну концентрацію еквівалентів розчину сульфатної кислоти з масовою часткою 15 % ( = 1,10 г/мл).

Розв'язання. 1) Для розрахунку моляльної концентрації треба визначити спочатку масу сульфатної кислоти, яка припадає на 1000 г води: 

 

1000 : 85 = х : 15

Молярна маса H₂SO₄ становить 98 г/моль, отже

 моль/кг

2) Для розрахунку молярної концентрації та молярної концентрації еквівалентів потрібно визначити масу     сульфатної кислоти, що міститься в 1 л (1000 мл), тобто в 1000  1,1 = 1100 г розчину. 

1100 : 100 = у : 15,

 г.

Поділивши цю масу на молярну масу сульфатної кислоти, визначаємо молярну концентрацію розчину:

С_М == 1,68 моль/л або 1,68 М;

а поділивши на молярну масу еквівалентів H₂SO₄

 г/моль,

одержимо молярну концентрацію еквівалентів розчину:

С_Е =  = 3,37 моль/л або 3,37 н.

Приклад 3. Визначте молярну концентрацію та молярну концентрацію еквівалентів розчину сульфатної кислоти, титр якого становить 0,00049 г/мл.

Розв'язання. 1) Молярна маса сульфатної кислоти: М(H₂SO₄) = 98 г/моль. Знаходимо молярну концентрацію її розчину:

 моль/л.

2) Молярна маса еквівалентів сульфатної кислоти становить

 г/моль

Знаходимо молярну концентрацію еквівалентів сульфатної кислоти:

 моль/л.

Приклад 4. Скільки літрів розчину AgNO₃ з молярною концентрацією еквівалентів 0,1 моль/л необхідно для обмінної реакції з 0,5 л розчину AlCl₃ з молярною концентрацію еквівалентів 0,3 моль/л?

Розв'язання. У зв’язку з тим, що об’єми реагуючих одна з одною речовин обернено пропорційні їх концентраціям, які виражені через молярні концентрації еквівалентів, можна скористатися формулою :

;

 л розчину.

Можна міркувати і так:

В 0,5 л розчину AlCl₃ з молярною концентрацією еквівалентів 0,3 моль/л міститься 0,5  0,3 = 0,15 еквівалента. Для взаємодії з даною кількістю AlCl₃ потрібне таке ж число еквівалентів AgNO₃, тобто 0,15. В 1 л розчину AgNO₃міститься 0,1 еквівалента, а 0,15 еквівалента буде міститися в 1,5 л розчину.

Моляльна концентрація (моляльність) – це кількість молів розчиненої речовини в 1 кг розчинника. Позначається :

С_m = _{(роз. реч-ни)} / m_{(розчинника)}, (моль/кг)

Титр розчину – концентрація розчину, яка показує кількість розчиненої речовини у г, що міститься у 1 мл розчину:

Т = m_{(роз. реч)}/V_р-ну, (г/мл, г/л).

Приклад 5. Визначте титр розчину H₂SO₄ з молярною концентрацією еквівалентів 0,5 моль/л.

Розв'язання. Молярна маса еквівалентів сульфатної кислоти становить 

 г/моль.

Розчин сульфатної кислоти H₂SO₄ з молярною концентрацію еквівалентів 0,5 моль/л буде містити 0,5  49 = 24,5 г/л, а 1 мл буде містити в 1000 раз менше, тобто

 г/мл;