Способы выражения количественного состава растворов

Массовая доля – ω%, равна отношению массы растворенного вещества к массе раствора, выраженная в процентах:

ω % = (m (x) / m _р-ра) • 100%, массу раствора можно выразить через объем и плотность

m _р-ра = V_р-ра• ρ _р-ра, тогда

ω % = (m (x) / V_р-ра • ρ _р-ра) • 100%. Массовая доля показывает количество грамм растворенного вещества, содержащегося в 100 г раствора.

0,9% раствор натрия хлорида означает, что в 100 граммах данного раствора содержится 0,9 г NaCl и 99,1 г воды. В медицине и фармации используется выражение – процентная концентрация – как синоним массовой доли.

Молярная концентрация – С(х), равна отношению количества вещества к объему раствора: С(х) = n (x) / V_р-ра, моль/л. Молярная концентрация показывает количество молей растворенного вещества в 1литре раствора. Зная, что n (x) = m (x) / М(х), формулу для расчета молярной концентрации можно представить следующим образом:

С(х) = m (x) / М(х)•V_р-ра. Если использовать выражение массовой доли, то

С(х) = ω % • 10 • ρ _р-ра / М(х).

С(NaCl) = 0,5 моль/л говорит о том, что в 1 литре раствора содержится 0,5 молей или 0,5 моль•58,5 г/моль = 29,25 г хлорида натрия. Молярную концентрацию раствора также называют молярностью, обозначают – М. Для раствора С(NaCl) = 0,5 моль/л обозначение молярности – 0,5 М.

Молярная концентрация эквивалента – С(1/ z x), равна отношению количества вещества эквивалента к объему раствора:

С(1/ z х) = n (1/ z x) / V_р-ра, моль/л.

Под эквивалентом (z) понимается некая реальная (молекула, атом, ион) или условная частица (УЧ) вещества, которая может присоединять, отдавать или быть каким-либо образом эквивалентна одному протону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции.

Например, молекула H₂SO₄ содержит два эквивалента вещества, z(H₂SO₄) = 2; молекула NaOH – один эквивалент, z(NaOH) = 1. Смысл понятия эквивалент заключается в том, что в реакции участвует равное число эквивалентов веществ. Так, в реакции: H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O с двумя эквивалентами серной кислоты будут взаимодействовать два эквивалента гидроксида натрия. Для расчетов чаще используют понятие фактора эквивалентности.

Фактор эквивалентности – f_экв(х) = 1/ z, – число, обозначающее какая часть реальной частицы вещества х эквивалентна одному протону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции.

Расчет факторов эквивалентности:

1. По формуле вещества

f_экв(кислоты) = 1 / основность кислоты

f_экв(HCl) = 1; f_экв(H₂SO₄) = ½;

f_экв(основания) = 1 / кислотность основания

f_экв(KOH) = 1; f_экв(Cu(OH)₂) = 1/2; f_экв(Al(OH)₃) = 1/3;

f_экв(соли) = 1 / (количество атомов металла • степень окисления металла)

f_экв(KCl) = 1; f_экв(K₂ SO₄) = 1/2; f_экв(Cr₂(SO₄)₃) = 1/6;

f_экв(оксида) = 1 / (количество атомов элемента • валентность элемента)

f_экв(K₂O) = 1/2; f_экв(SO₃) = 1/6; f_экв(Cr₂O₃) = 1/6;

2. По уравнениям реакции

Для кислотно-основных реакций:

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

f_экв(H₂SO₄) = 1/2, так как в реакции участвовали два протона водорода, следовательно одному протону водорода эквивалентна ½ часть молекулы H₂SO₄; f_экв(NaOH) = 1, потому что одна молекула гидроксида натрия взаимодействует с одним протоном водорода или с одним эквивалентом кислоты.

Исходя из аналогичных рассуждений, значения факторов эквивалентности для реакций: H₂SO₄ + NaOH → NaHSO₄ + H₂O и Na₂B₄O₇ + 2HCl + 5H₂O → 4H₃BO₃ + 2NaCl будут следующими: f_экв(H₂SO₄) = 1; f_экв(NaOH) = 1; f_экв(Na₂B₄O₇) = 1/2; f_экв(HCl) = 1

Для окислительно-восстановительных реакций:

f_экв(окислителя) = 1 / количество принятых электронов

f_экв(восстановителя) = 1 / количество отданных электронов

В реакции 2KMnO₄+ 5H₂O₂ + 3H₂SO₄  → 2MnSO₄ + 5O₂+ 8H₂O + K₂SO₄

MnO₄^- + 8H⁺ +5е → Mn²⁺ + 4H₂O; MnO₄^- – окислитель. f_экв(KMnO₄)=1/5.

H₂O₂ - 2е → O₂ + 2H⁺; H₂O₂ – восстановитель. f_экв(H₂O₂)=1/2.

Зная способы расчета факторов эквивалентности, можно рассчитать количество вещества эквивалента n (1/ z x) = z • n (x). Масса количества вещества эквивалента выражается молярной массой эквивалента вещества

М(1/ z х) = 1/ z • М(х), г/моль.

Поскольку, С(1/ z х) = n (1/ z x) / V_р-ра, данную формулу можно представить следующим образом: С(1/ z х) = n (x) • z / V_р-ра или

С(1/ z х) = m (x) • z / М(х) • V_р-ра.

Так как С(х) = m (x) / М(х) • V_р-ра, то можно проследить взаимосвязь между молярной концентрацией эквивалента и молярной концентрацией: С(1/ z х) = С(х) • z;

              С(х) = С(1/ z х) / z.

Молярная концентрация эквивалента показывает количество вещества эквивалента в 1 литре раствора. Раствор серной кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л подразумевает, что в 1 л данного раствора содержится 0,1 моль эквивалента серной кислоты или m(H₂SO₄) = С(1/2 H₂SO₄) • М(H₂SO₄) • V_р-ра / 2 = 0,1 • 98 • 1/2 = 4,9 г.

Молярную концентрацию эквивалента называют нормальной или эквивалентной концентрацией. Обозначают буквами – н или N. Для раствора С(1/2 H₂SO₄) = 0,1 моль/л обозначение нормальной или эквивалентной концентрацией – 0,1 н или 0,1 N.

Моляльная концентрация вещества, или моляльность b (x), - величина, измеряемая отношением количества вещества к массе растворителя. b (x) = n (x) / m _{растворителя}, моль/кг.

Молярная доля вещества - χ,показывает отношение количества этого вещества к суммарному количеству вещества всех компонентов раствора. χ _i = n_i / Σ n_{i .} Для раствора, состоящего из трех компонентов А, В, С молярную долю, например, компонента А рассчитывают по формуле χ (А) = n(A) / (n(A)+n(B)+n(C)).

Титр – Т(x), величина, равная отношению массы растворенного вещества к 1 мл раствора. Единица измерения - г/мл. Значение титра можно рассчитать по формулам:            

Т(x) = m (x) / V_р-ра;

Т(x) = С(x) • М(х) / 1000;

Т(x) = С(1/ z х) • М (1/ z х) / 1000.

Т(НСl) = 0,00365 г/мл говорит о том, что в 1мл данного раствора содержится 0,00365 г НСl.

Массовая концентрация – γ(х) – отношение массы растворенного вещества, содержащегося в растворе к объему раствора. γ(х) = m (x) / V_р-ра, г/л, г/мл.

Миллиграмм процент – мг % - показывает количество миллиграммов растворенного вещества в 100 мл раствора.

Промиле – ⁰/₀₀ – показывает количество миллиграммов растворенного вещества в 1000 мл раствора.

Закон эквивалентов: Вещества, растворы которых имеют одинаковую молярную концентрацию эквивалента, реагируют в равных объемах, то есть в равных количествах вещества эквивалента.

С(1/ z х₁) • V₁ = С(1/ z х₂) • V₂

Так как С(1/ z х₁) • V₁ = n (1/ z х₁); С(1/ z х₂) • V₂ = n (1/ z х₂), то n (1/ z х₁) = n (1/ z х₂).

Формула для расчета объема раствора для приготовления методом разбавления

С₁(1/ z х) • V₁ = С₂(1/ z х) • V₂