Контрольні запитання

1. Що таке розчин, розчинник, розчинена речовина?

2. Що таке процес розчинення?

3. Що таке константа розчинності?

4. З яких компонентів складаються розчини?

5. Який розчин називається розбавленим, концентрованим, насиченим, ненасиченим, пересиченим?

6. Що виражає величина, що називається концентрацією розчину?

7. Як виражається концентрація розчинів?

8. Що таке густина розчинів?

9. Будова ареометра.

10. Як виміряти густину за допомогою ареометра?

11. Що таке масова та об'ємна доля розчиненої речовини?

Рекомендована література

1. Цитович, И.К. Курс аналитической химии. СПб.: Изд-ство «Лань», 2004. 496 с.

Таблиця Мендєлєєва

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 5

СПОСОБИ ВИЗНАЧЕННЯ КОНЦЕНТРАЦІЇ РОЗЧИНІВ. ПРИГОТУВАННЯ РОЗЧИНІВ МОЛЯРНОЇ ТА НОРМАЛЬНОЇ КОНЦЕНТРАЦІЇ

Мета роботи: Використання мірного посуду в лабораторних роботах. Навчитися готувати розчини заданого об'єму та заданої молярної та нормальної концентрації.

План

1. Розчини: істині розчини, суспензії, емульсії, колоїдні розчини.

2. Методи кількісного визначення складу розчину.

3. Способи вираження об'ємної концентрації розчинів.

4. Мірний посуд.

Реактиви

Кристалічні солі, дистильована вода.

Матеріали та обладнання

Стаканчики для зважування, мірні колби на 50 та 100 мл, мірні циліндри на 100 та 250 мл, конічні колби на 100 та 200 мл, скляні палочки, піпетки, воронки, шпателі, резинова груша, ваги, калькулятор.

Загальні відомості

Розчини це дисперсні системи, що включають частинки речовини рівномірно розподілена всередині іншої речовини. Розчини відрізняються передусім розмірами часток і однорідністю систем.

В дисперсних системах розрізняють дисперсну фазу — тонко подрібнену речовину і дисперсійне середовище — однорідну речовину, в якій розподілена дисперсна фаза.

До дисперсних систем належать звичайні (істинні) розчини, колоїдні розчини, а також суспензії та емульсії. Вони відрізняються один від одного насамперед розмірами частинок, тобто ступенем дисперсності (подрібнення).

Істинні розчини - це термодинамічно стійкі однофазні, однорідні гомогенні системи, що складаються з двох або більшого числа компонентів з розміром часток менше 1 нм. Їх слід розглядати як однофазну систему.

Системи з розмірами частинок понад 100 нм — це грубодисперсні системи: суспензії та емульсії.

Суспензії — це дисперсні системи, в яких дисперсною фазою є тверда речовина, а дисперсійним середовищем —  рідина, причому тверда речовина практично нерозчинна в рідині. Щоб приготувати суспензію, треба речовину подрібнити до тонкого порошку, висипати в рідину, в якій речовина не розчиняється, і добре збовтати.

Емульсії — це дисперсні системи, в яких і дисперсна фаза, і дисперсійне середовище є рідинами, що не змішуються між собою. Прикладом емульсії є молоко, в якому дрібні кульки жиру плавають у рідині.

Суспензії та емульсії — двофазні системи.

Колоїдні розчини — це високодисперсні двофазні системи, що складаються з дисперсійного середовища і дисперсної фази, причому лінійні розміри частинок останньої перебувають в межах від 1 до 100 нм. Колоїдні розчини за розмірами частинок є проміжними між істинними розчинами та суспензіями і емульсіями.

Компонентами, що становлять розчин, є розчинник і розчинені речовини. Розчинником умовно прийнято вважати компонент, агрегатний стан якого не змінюється при утворенні розчину, і який міститься у більшій кількості. Розчинники можуть бути рідкими або твердими, а речовини, що розчиняються, можуть знаходитися у будь-якому з трьох агрегатних станів.

Способи приготування розчинів. Розчини відомої концентрації можна приготувати:

1. За точною наважкою речовини.

Масова доля речовини в розчині – ω(х) – це величина, що вимірюється відношенням маси розчиненої речовини m(х) до маси розчину m_р: , де ω(х) в % називаеться процентною концентрацією і дорівнює масі речовини в 100 г розчину.

Масова концентрація - відношення маси компонента, що міститься в розчині, до об'єму цього розчину. Одиниці виміру масової концентрації ‑  кг/м³, г/л.

Розраховують масу наважки речовини, необхідну для приготування розчину заданої концентрації в заданому об'ємі розчину. Масу наважки речовини, узяту на аналітичних вагах з точністю 0,0002 г, кількісно (повністю) переносять в мірну колбу заданої місткості, розчиняють в невеликому об'ємі води, доводять до мітки дистильованою водою.

2. Розбавленням заздалегідь приготовленого розчину відомої концентрації.

Розраховують масу речовини в розбавленому розчині, потім масу і об'єм концентрованого розчину, що містить цю масу речовини. Мірною піпеткою відбирають розрахований об'єм концентрованого розчину, переносять в мірну колбу і розбавляють дистильованою водою до необхідного об'єму.

3. З фіксаналу.

Фіксанал - запаяна ампула, в якій знаходиться точно відома кількість речовини або розчину (0,1 н.).

Вміст ампули кількісно переводять в мірну колбу заданого об'єму, розбиваючи ампулу вкладеним в упаковку бойком, другим бойком розбивають верхнє заглиблення ампули, за допомогою промывалки через отвір ретельно промивають ампулу. Для промивання рекомендується не менше, чим 6-кратний об'єм води (у порівнянні з місткістю ампули). Розчин доводять до мітки дистильованою водою і перемішують. З фиксаналу готують як стандартні, так і робочі розчини. Це швидкий і досить точний спосіб приготування розчинів для титрування, тобто розчинів з точно відомою концентрацією.

Мірний посуд. Для приготування розчинів певної концентрації, для точного виміру об'ємів застосовують мірний посуд: мірні колби, піпетки і бюретки

Мірні колби - тонкостінні плоскодонні посудини з довгим вузьким горлом, на якому по склу нанесена кільцеподібна мітка (рис.5.1). Існують мірні колби на 25 мл, 50 мл, 100 мл, 200 мл, 500 мл, 1000 мл (1 л) та 2 л. Якщо заповнити мірну колбу рідиною до мітки, то її об'єм складе число мл позначне на колбі.

Мірні колби роблять таким чином, що точний об'єм розчину досягається, коли водний меніск (рівень води, злегка ввігнутий силами поверхневого натягу) торкається мітки своєю нижньою частиною.

Піпетки використовують для відбору певного об'єму проби рідини.

Піпетки Мора це скляні трубки з розширенням посередині. Нижній кінець відтягнутий в капіляр, на верхньому кінці нанесена мітка, до якої слід набирати вимірювану рідину. На піпетці вказаний об'єм.

Бюретки застосовують при титруванні і для виміру точних об'ємів.

Рис. 5.1. Мірні колби. Послідовність приготування 1 молярного розчину хлориду натрію (1 моль/л NaCl)

Способи вираження об'ємної концентрації розчинів. Концентрація також може бути виражена кількістю г-моль речовини в одиниці об'єму розчину або розчинника.

У аналітичній практиці найчастіше використовують наступні об'ємні концентрації: молярна концентрація, молярна концентрація еквіваленту (або нормальність), моляльна концентрація, титр розчину, молярна доля.

Позначення, що використовуються для вираження концентрації розчинів:

Х - розчинена речовина;

m(x) - маса розчиненої речовини, г;

m(р-ка) або m(води) - маса розчинника або води, г

m_p або m(р-ну) - маса розчину, г;

М(х) - молярна маса речовини, г/моль;

Мекв(х) або М(х) - молярна маса еквіваленту речовини, г/моль;

Vp або V(р-ну) - об'єм розчину, л;

V_М - молярний об'єм газу, л/моль, в н.у. (V_М будь-якого газу=22,4л/моль)

ρ_р або ρ_р-ну - густина розчину, г/мл або г/л;

ν(х) чи n(х) - кількість речовини, моль;

або f_екв(х) - еквівалентність речовини,

де z - завжди ціле позитивне число - 1,2,3,4 і т. д.

ν_екв(х) або ν(х) - кількість речовини еквівалента, моль.

М_экв(х) або М(х) молярна маса еквивалента речовини (маса одного моля еквивалента речовини)  це величина рівна добутку фактора еквівалентності на молярну масу речовини.

Молярна концентрація С – це відношення кількості розчиненої речовини m (в молях) до об'єму розчину V в літрах.

m_(х) (моль)

С(х) = -------------

V_р (л)

Одиниця молярної концентрації моль/л або М. Концентрація 1 М = 1 моль/л або 1 мілімоль/мл або 1 моль/1000 мл.

Приклад. Приготування 1 л 1М розчину NaCl.

Молекулярна вага NaCl складає = 58,5, отже, молярна маса NaCl (маса

1 моль) дорівнює 58,5 г. Зважимо цю кількість NaCl на вагах і вмістимо кристали в мірну колбу, додамо трохи води і розчинимо кристали перемішуванням. Коли вся сіль розчиниться, доллємо розчин водою до мітки.

Послідовність приготування молярного розчину хлориду натрію (1моль/л NaCl) показана на рис. 5.1:

а) мірна колба місткістю 1 л;

б) наважка кристалічного NaCl вміщена в колбу;

в) в колбу додають трохи дистильованої води, розчиняють кристали при перемішуванні і доливають розчин водою до мітки 1 л, після чого розчин ще ретельно перемішують.

Примітка. Молярну концентрацію (чи молярність розчину) прийнято позначати буквою М.

Наприклад, С(х) = 1,0 М або 1,0 моль/л (одномолярний розчин)

С(х) = 2,0 М або 2,0 моль/л (двомолярний розчин)

С(х) = 0,1 М або 0,1 моль/л (децимолярний розчин)

С(х) = 0,01 М або 0,01 моль/л (сантимолярний розчин)

С(х) = 0,001 М або 0,001 моль/л (мілімолярний розчин)

Молярну концентрацію в загальному вигляді позначають:

C_NaCl = 1 М або 1 моль/л

Молярна концентрація еквівалента С(х) або нормальність це величина, що вимірюється кількістю моль-еквівалентів речовини ν_екв(х) або ν(х) в розчині до об'єму цього розчинуV_р, моль -екв/л або н.

Наприклад, С_Н(х)=1,0 моль -екв/л або 1,0 н. (однонормальний розчин)

С_Н(х)=0,1 моль -екв/л або 0,1 н. (децинормальний розчин)

С_Н(х)= 0,01 моль -екв/л або 0,1 н. (сантинормальний розчин)

С_Н(х)= 0,001 моль -екв/л або 0,001 н. (мілінормальний розчин)

Еквівалент речовини - реальна або умовна частка речовини, яка взаємодіє з одним еквівалентом водню або з одним еквівалентом будь-якої іншої речовини. Для визначення еквівалентів (Е) і молярних мас еквівалентів (М_екв) простих і складних речовин зручно використати поняття фактор еквівалентності ( f ).

Фактором еквівалентності для речовини називається число, що показує яка доля атома або молекули цієї речовини еквівалентна одному іону водню H⁺ в реакціях обміну або одному електрону в окисно-відновних реакціях. Де z – невелике ціле число, рівне числу еквівалентів речовини, що містяться в 1 моль цієї речовини.

Маса 1 моля еквівалентів речовини називається молярною масою його еквіваленту. Фактор еквівалентності визначається в конкретній реакції і залежить від природи речовини. Розмірність молярної маси еквіваленту - г/моль-екв.

Молярну масу еквіваленту елементу можна розрахувати за формулою:

M_екв = , де, M_екв - молярна маса еквівалента; М - молярна маса елемента; В - валентність елемента у сполуці.

Так, в наведених вище прикладах (НСl, Н₂О, NН₃ СН₄), молярні маси еквівалентів хлору, кисню, азоту і вуглецю дорівнюють:

M_екв (Cl) = 35,5/1 = 35,5 г/моль-екв,

M_екв (O) = 16/2 = 8 г/моль-екв,

M_екв (N) = 14/3 = 4,66 г/моль-екв,

M_екв (C) = 12/4 = 3 г/моль-екв.

Молярна концентрація еквівалента завжди більше молярної концентрації в z раз.

С_Н(х) = z∙С(х) – це концентрація, яка показує кількість еквіваленту речовини, що міститься в 1 л розчину, де z – число еквівалентності.

Наприклад: моль -екв/л або 0,5 н. Са(ОН)₂ означає, що 0,5 моль еквівалентів Са(ОН)₂ міститься в 1 л розчину.

Кислоти. Величина z фактора еквівалентності кислот визначається числом атомів водню, які можуть бути заміщені в молекулі кислоти на атоми металу.

Наприклад: Визначити фактор еквівалентності для кислот:

а) z(НСl ) = 1, фактор еквівалентності 1;

б) z(Н₂SO₄) = 2, фактор еквівалентності ;

в) z(Н₃РО₄) = 3, фактор еквівалентності ;

г) z(Н₄[Fe(CN)₆]) = 4, фактор еквівалентності .

Основи. Величина z фактора основ визначається числом гідроксидних груп, які можуть бути заміщені на кислотний остаток.

Наприклад:. Визначити фактор еквівалентності основ:

а) z(КОН) = 1, фактор еквівалентності 1;

б) z(Cu(OH)₂) = 2, фактор еквівалентності ;

в) z(La(OH)₃) = 3, фактор еквівалентності .

Солі. Значення фактора еквівалентності солей визначається по катіону. Величина z фактора у цьому випадку рівна q·n, де q - заряд катіона металу, n - число катіонів у формулі солі.

Наприклад: Визначити еквівалентності солей:

а) z(KNO₃) = q(K)·n (K)= 11 = 1, фактор еквівалентності 1;

б) z(Na₃PO₄)= q(Na)·n (Na) = 1·3 = 3, фактор еквівалентності ;

в) z(Cr₂(SO₄)₃)= q(Cr)·n (Cr) = 3·2 = 6, фактор еквівалентності ;

г) z(Al(NO₃)₃)= q(Al)·n (Al) = 3·1 = 3, фактор еквівалентності .

Значення факторів еквівалентності для солей, кислот і основ залежить від конкретної реакції.

В окисно-відновних реакціях для визначення факторів еквівалентності використовують електронний баланс.Число z для речовини в цьому випадку дорівнює числу прийнятих або відданих електронів молекулою речовини.

6. Моляльність b - це відношення кількості розчиненої речовини (у молях) до маси m розчинника. Одиниця виміру моляльності - моль/кг Наприклад, b(HCl/H₂O) = 2 моль/кг.

7. Титрування - це процес поступового додавання титранта до аналізованої проби до досягнення точки еквівалентності.

Титрант - це розчин речовини з точно відомою концентрацією.

Титр Т - число грамів розчиненої речовини в 1 мл розчину.

Одиниці виміру титру - г/мл, кг/см3.