4 Концентрации растворов

Важнейшей характеристикой любого раствора является его состав, который выражается концентрацией. Концентрацией раствора называется количество растворенного вещества в определенном массовом или объемном количестве раствора или растворителя.

Для приблизительного выражения концентрации растворов используют термины концентрированный и разбавленный растворы.

Концентрированный раствор содержит такие количества растворенного вещества, которые сравнимы с количеством растворителя. Например, в 100г воды растворено 20г поваренной соли. Это концентрированный раствор (20 и 100 сравнимые величины).

Разбавленный раствор содержит очень малое количество растворенного вещества по сравнению с количеством растворителя. Например, в 100г воды растворено 0,2г поваренной соли. Это разбавленный раствор (0,2г соли очень мало по сравнению со 100г растворителя).

Границы между концентрированными и разбавленными растворами условны.

Существуют различные способы численного выражения концентрации растворов: массовая доля (%), объемная доля (%), молекулярные и атомные проценты, молярность, нормальность или молярная концентрация эквивалента, моляльность, мольная, атомная и массовые доли, титр и т.д.

4.1 Процентная концентрация (массовая доля ) раствора показывает, сколько единиц массы растворенного вещества содержится в 100 единицах массы раствора. Процентная концентрация - это безразмерная величина и выражается соотношением

где С_% - концентрация раствора, %;

m₁ - масса растворенного вещества, г;

m - масса раствора, г.

Пример 1. Найти процентную концентрацию раствора хлорида калия, содержащего 53г КС1 в 500 мл раствора. Плотность раствора ρ=1,063 г/см³.

Решение: Масса раствора равна произведению объема раствора V на его плотность ρ :

m = ρV, тогда

С_%= = .

Процентная концентрация раствора КС1 10 %.

4.2 Молярная концентрация раствора (молярность) показывает число молей растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора.

Молярная концентрация имеет размерность моль/л и выражается формулой

С_м=, моль/л,

где m₁ - масса растворенного вещества, г;

М - молярная масса растворенного вещества, г/моль;

V - объем раствора, л.

Пример 2. Найти массу NаОН, содержащегося в 0,2 л раствора, если молярная концентрация раствора равна 0,2 моль/л.

Решение: Молярная масса NаОН = 40г/моль.

m_NaОН = С_мМV = 0,2∙40∙0,2 =1,6 г.

4.3 Молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) вещества (нормальность) показывает число моль-эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора (моль∙экв/л; н):

моль∙экв/л,

где m₁- масса растворенного вещества, г;

М_э- молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль;

V - объем раствора, л.

Закон эквивалентов:

Все вещества взаимодействуют между собой в соотношениях масс, пропорциональных их эквивалентам. Один эквивалент одного вещества всегда реагирует с одним эквивалентом другого вещества:

или или ~ ,

где m_A и m_B – массы взаимодействующих веществ А и В, г;

М_ЭА М_ЭВ – молярные массы эквивалентов этих веществ, г/моль;

и - эквивалентные количества Аи В.

Эквивалент вещества – это целая часть формульной единицы вещества, которая в данной реакции химически равноценна 1 атому водорода.

Молярная масса эквивалента вещества рассчитывается в общем случае по формуле

[г/моль], где

М(Э_А)- молярная масса эквивалента вещества,

z- фактор эквивалентности, определяется типом вещества и реакции, в которой оно участвует.

Для кислот в реакции нейтрализации z равно числу протонов, замещающихся на катионы металла.

Для оснований в реакции нейтрализации z равно числу гидроксогрупп, замещающихся на кислотные остатки.

Для солей в реакциях обмена z равно произведению числа катионов на заряд катиона.

Для окислителей (восстановителей) z равно числу электронов, которые принимает (отдает) в данной реакции одна формульная единица окислителя (восстановителя).

Молярная масса эквивалента вещества зависит от типа реакции и для одного вещества может иметь разные значения. Следовательно, нормальная концентрация одного и того же раствора будет иметь разные значения для различных превращений этого вещества.

В общем случае молярная масса эквивалента вещества М_э определяется реакцией, в которой он участвует. Например:

а) взаимодействие фосфорной кислоты со щелочью в реакции нейтрализации:

H₃PO₄ + 2NaOH = Na₂HPO₄ + 2H₂O

г/моль, z=2, т.к. молекула кислоты реагирует с двумя молекулами NaOH, что соответствует замещению двух ионов водорода;

б) взаимодействие бихромата калия с иодидом калия в кислой среде:

K₂Cr₂O₇ + 6KI + 7H₂SO₄ = 3I₂ + Cr₂(SO₄)₃ + 4K₂SO₄ + 7H₂O

г/моль, z=6, т.к. бихромат калия принимает в данной реакции шесть электронов:

г/моль.

Пример 3. Определить молярную концентрацию эквивалента хлорида железа (III), если в 0,3л раствора содержится 32,44г FеС1₃.

Решение: Молярная масса эквивалента FеС1₃ равна

М_эFeС13=

Молярная концентрация эквивалента раствора FeCl₃ равна

4.4 Моляльная концентрация раствора (моляльность) показывает число молей растворенного вещества, растворенного в 1000 г (1 кг) растворителя. Размерность моляльной концентрации моль/кг:

С_m = , моль/кг,

где С_m - моляльная концентрация, моль/кг;

m₁ - масса растворенного вещества, г;

m₂ - масса растворителя, кг;

М - молярная масса растворенного вещества, г/моль .

Пример 4. В каком количестве эфира надо растворить 3,0 г анилина С₆H₅NH₂, чтобы получить раствор, моляльность которого равна 0,3 моль/кг?

Решение: Моль С₆H₅NH₂ = 93 г/моль.

Масса растворителя (эфира) равна

m₂ =

4.5 Мольная доля растворенного вещества и растворителя в растворе

Мольная доля N_i вещества в растворе равна отношению числа молей данного вещества к сумме чисел молей всех компонентов, содержащихся в растворе. Например, если раствор состоит из двух компонентов (растворитель + одно растворенное вещество), мольные доли компонентов будут равны

N₁= и N₂=

где N₁ и N₂- мольные доли растворителя и растворенного вещества соответственно;

n₁ - число молей растворителя;

n₂ - число молей растворенного вещества.

где m₁- масса растворенного вещества, г;

М₁- молярная масса растворенного вещества, г;

где m₂- масса растворителя, г;

М₂- молярная масса растворителя, г;

Пример 5. Рассчитать мольные доли глюкозы С₆H₁₂O₆ и воды в 36%-ном водном растворе глюкозы.

Решение: В 100 г 36%-ного раствора глюкозы содержится 36 г глюкозы и 64 г воды. Определяем число молей глюкозы и воды

(М (С₆H₁₂O₆) =180; М Н₂O=18):

n (С₆H₁₂O₆)

n (Н₂O)

N (С₆H₁₂O₆) =

N (С₆H₁₂O₆ ) =

Сумма мольных долей компонентов раствора всегда равна 1.

N (С₆H₁₂O₆ ) + N (H₂O) = 0,053 + 0,947 = 1,0.

4.6 Титр раствора Титр раствора Т показывает количество граммов растворенного вещества, содержащегося в 1 мл раствора. Размерность титра - г/мл.

г/мл,

где m_A- масса растворенного вещества, г;

V_А – объем раствора, мл.

Пример 6. Определить титр 0,01н КОН.

Решение: В 1л 0,01н раствора КОН содержится

(М_{Э KOH}=56)

Титр этого раствора равен

Т_КОН =