Способи вираження концентрації розчинів

Концентрація розчину – відношення кількості розчиненої речовини до об’єму розчину , відношення кількості речовини еквівалента до об’єму розчину , відношення маси розчиненої речовини до об’єму розчину. В останньому випадку концентрація розчиненої речовини у розчині виражається його титром:

г/см ³.

Титр розчину показує, яка маса розчиненої речовини, виражена в грамах, міститься в 1 см ³ розчину.

В аналітичній хімії корисним є вираження титру робочого розчину (титранту) за речовиною, що визначається. Цей титр показує, якій масі (в грамах) речовини, що визначається, еквівалентний 1 см ³ розчину титранту певної молярної концентрації еквівалента.

Наприклад: г/см ³.

Оскільки в 1 см ³ розчину міститься дуже мало розчиненої речовини, то для того, щоб виразити концентрацію розчину через титр з великою точністю, значення титру слід подати з точністю до 0,00001 г/см ³ або 0,000001 г/см ³.

Основна одиниця вимірювання кількості речовини – моль відноситься до будь-яких видів частинок або певних груп частинок (атоми, молекули, йони, електрони, радикали тощо). Кількість речовини Х позначається символом n і записується як n(Х).

Молярна концентрація речовини Х у розчині позначається символом с – є відношення кількості речовини Х, що міститься в розчині, до об’єму цього розчину V:

моль/дм ³.

Молярна концентрація речовини у розчині змінюється із зміною температури.

Речовини взаємодіють між собою в еквівалентних кількостях. У кислотно-основних реакціях еквівалент кислоти чи основи – це така частинка цієї речовини, яка в даній кислотно-основній реакції звільняє один гідроген-іон або сполучається з ним, або іншим способом відповідна йому.

Еквівалент кислоти чи основи залежить від реакції, у якій бере участь ця речовина.

Наприклад: NaOH + H₂SO₄ = NaHSO₄ + H₂O.

У даній реакції одна молекула натрій гідроксиду взаємодіє з одним гідроген-іоном сульфатної кислоти або один моль натрій гідроксиду взаємодіє з одним молем сульфатної кислоти: n (NaOH) = n (H₂SO₄).

Число, яке показує, яка частка реальної частинки речовини Х еквівалентна одному гідроген-іону в даній кислотно-основній реакції, називається фактором еквівалентності речовини Х. Фактор еквівалентності є величиною безрозмірною і позначається f_екв (Х), а форма запису еквівалента речовини Х буде такою: f_екв (Х) Х. Величина f_екв (Х) Х називається еквівалентом речовини Х. У даній реакції фактор еквівалентності сульфатної кислоти дорівнює 1: f_екв (H₂SO₄)=1, а форма запису еквівалента цієї речовини у цій реакції буде:

f_екв (H₂SO₄)H₂SO₄ = H₂SO₄.

Якщо натрій гідроксид взаємодіє з сульфатною кислотою за реакцією:

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O,

то на кожну частинку сульфатної кислоти припадає дві частинки натрій гідроксиду або на 1 моль сульфатної кислоти припадає 2 моль натрій гідроксиду, отже, з 1 моль NaOH взаємодіє ½ моль H₂SO₄.

У даній реакції фактор еквівалентності H₂SO₄ дорівнює ½: f_екв (H₂SO₄)=½, а еквівалент сульфатної кислоти у цій реакції – f_екв (H₂SO₄)H₂SO₄=½H₂SO₄.

n (NaOH) = n (½H₂SO₄).

Отже, фактор еквівалентності речовини Х розраховують на основі стехіометричних коефіцієнтів у рівнянні реакції. Тому при визначенні еквівалента речовини обов’язково слід вказати в якій реакції бере участь ця речовина.

Фактор еквівалентності речовини може бути рівним одиниці або меншим одиниці.

Молярна маса речовини еквівалента – це маса 1 моль речовини еквівалента f_екв (Х) Х, що дорівнює добутку фактора еквівалентності на молярну масу речовини Х. Молярна маса речовини еквівалента f_екв (Х) Х записується М (f_екв (Х) Х) = f_екв (Х)· М (Х).

Наприклад: у реакції 2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O молярна маса еквівалента сульфатної кислоти визначається:

М (f_екв (H₂SO₄)H₂SO₄) = f_екв (H₂SO₄)· М (H₂SO₄)

М (½H₂SO₄) = ½ М (H₂SO₄);

М (½H₂SO₄) = ½·98 г/моль = 49 г/моль.

Одиницею кількості речовини еквівалента є моль: n (f_екв (Х) Х).

В реакціях обміну, що супроводжуються утворенням осаду, молярні маси еквівалентів реагуючих речовин теж визначаються за рівняннями реакцій.

Наприклад: ZnCl₂ + 2AgNO₃ = 2AgCl$ + Zn(NO₃)₂.

У цій реакції 1 моль хлорид-іонів еквівалентний ½ моль речовини цинк хлориду. Але 1 моль хлорид-іонів еквівалентний 1 моль гідроген-іонів.

Таким чином, ½ моль ZnCl₂ еквівалентний 1 моль гідроген-іонів.

Фактор еквівалентності f_екв (ZnCl₂)=½; фактор еквівалентності f_екв (AgNO₃)=1.

М (f_екв (ZnCl₂)ZnCl₂) = f_екв (ZnCl₂)· М (ZnCl₂);

M (½ZnCl₂) = ½ M (ZnCl₂);

M (½ZnCl₂) = ½·65,4 г/моль = 32,7 г/моль.

Аналогічно розраховуються молярні маси еквівалентів інших учасників реакції.

Розрахунки еквівалентів речовин в окисно-відновних реакціях.

Еквівалент речовини, що бере участь в окисно-відновній реакції, визначається як та її частинка, яка може приєднати один електрон або звільнити його чи іншим способом може бути еквівалентна одному електрону.

Наприклад, окиснення ферум(ІІ) сульфату калій перманганатом у середовищі сульфатної кислоти відбувається за рівнянням:

Фактор еквівалентності відновника (Fe²⁺) чи окисника () визначається на основі зміни ступеня окиснення атома елемента. Зміна ступеня окиснення (Δ Z) відновника (Fe²⁺"Fe³⁺) становить 1, а окисника ( "Mn²⁺) дорівнює 5, тоді фактор еквівалентності FeSO₄ дорівнює 1 (f_екв (FeSO₄)=1), а КMnO₄– . (f_екв (КMnO₄)= ). Еквівалент КМnO₄ у цій окисно-відновній реакції виражається:

f_екв (КMnO₄)КMnO₄ = КMnO₄.

Молярна маса речовини еквівалента має величину:

М (f_екв (КMnO₄)КMnO₄) = f_екв (КMnO₄)· М (КMnO₄)

М ( КMnO₄) = М (КMnO₄);

М ( КMnO₄) = ·158 г/моль = 31,6 г/моль.

Кількість речовини еквівалента n ( КMnO₄) = 1 моль.

 

Розрахунки еквівалентів речовин у реакціях комплексоутворення.

Еквівалент речовини у реакціях комплексоутворення, як і в інших випадках, визначають за реакцією комплексоутворення.

Наприклад: Al₂(SO₄)₃ + 12NaOH = 2Na₃[Al(OH)₆] + 3Na₂SO₄

1 моль 12 моль

або 1 молекула 12 молекул

1 молекула 12 ОН^–-іонів

моль 1 моль ОН^–-іонів

У цій реакції 1 моль гідроксид-іонів еквівалентний моль речовини алюміній сульфату. Але один гідроксид-іон еквівалентний одному гідроген-іону. Отже, моль алюміній сульфату еквівалентна 1 моль гідроген-іонів.

Фактор еквівалентності f_екв (Al₂(SO₄)₃)= . Еквівалент Al₂(SO₄)₃ визначається так: f_екв (Al₂(SO₄)₃)Al₂(SO₄)₃ = Al₂(SO₄)₃.

Молярна маса речовини еквівалента дорівнює:

М (f_екв (Al₂(SO₄)₃)Al₂(SO₄)₃) = f_екв (Al₂(SO₄)₃)· М (Al₂(SO₄)₃);

М (¹/₁₂Al₂(SO₄)₃) = ·437,96 г/моль;

М(¹/₁₂Al₂(SO₄)₃) = 36,5 г/моль

для наведеної вище реакції комплексоутворення.

Молярна концентрація речовини еквівалента у розчині є відношення кількості речовини еквівалента n (f_екв (Х) Х) у розчині до об’єму цього розчину речовини.

Молярна концентрація речовини еквівалента виражається:

с (f_екв (Х) Х) = моль/дм ³;

Наприклад: с (½Н₂SO₄) = 0,5 моль/дм ³.

Якщо 1 моль речовини еквівалента міститься в 1 дм ³ розчину, то такий розчин можна назвати нормальним.

Концентрацію розчинів не слід плутати зі складом розчинів. Склад розчину не відображає концентрацію розчиненої речовини, а є співвідношення між компонентами системи, кількості яких виміряні в однакових одиницях. Таким чином, склад розчину є безрозмірною величиною.

Розрізняють такі способи вираження складу розчинів:

1. Масова частка – відношення маси розчиненої речовини до маси розчину:

;

2. Об’ємна частка – відношення об’єму розчиненої речовини до об’єму розчину:

;

3. Мольна частка – відношення числа молів розчиненої речовини до суми молів розчиненої речовини і розчинника:

;

4. Мольне відношення – відношення числа молів компонента на один моль розчинника:

;

5. Мольна частка – відношення числа молів розчиненої речовини до 1000 г розчинника:

.

Якщо розчинник – вода, то 1000 г – це 1000/18 = 55,56 моль води.

Тоді , тобто це є відношення кількості молів розчиненої речовини, що припадає на 1 моль розчинника.