Способы выражения концентрации растворов

1 
РАСТВОРЫ

      Раствор — гомогенная система, состоящая из растворенного вещества, растворителя и продуктов взаимодействия между ними.  Растворы бывают газообразные (атмосфера), жидкие (природная вода), твердые (сплавы). Свойства растворов зависят от природы растворителя (вода, ацетон, керосин и др.), от природы растворенных веществ (кислоты, основания, соли, газы и др.), а также от концентрации растворенного вещества в растворе. В настоящем практикуме рассматриваются,  в основном, свойства водных растворов.

Идеальные растворы – растворы, которые образуются  без изменения объема растворителя и без теплового эффекта, т.е. ΔV_р-ра
= 0 и ΔН_р-ра
= 0. В этом случае предполагается, что между молекулами растворителя и молекулами растворенного вещества отсутствует межмолекулярное  взаимодействие. К идеальным растворам с некоторым приближением относят разбавленные растворы органических веществ и газов в воде (растворы  неэлектролитов).

Реальные растворы — растворы кислот, оснований, солей в воде (электролиты), образование которых сопровождается взаимодействием молекул растворителя и растворенного вещества, изменением объема растворителя и выделением или поглощением тепла. К реальным — относятся также концентрированные растворы  неэлектролитов.

2. СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ

В зависимости от содержания растворенного вещества растворы бывают разбавленные, концентрированные, насыщенные и перенасыщенные. Количественная характеристика способности вещества растворяться до образования насыщенного раствора называется  растворимостью.
Растворимость определяется как:

а) количество вещества в граммах, которое необходимо растворить в 100 г растворителя для получения насыщенного раствора (m(г)
/ 100 (г));

б) количество молей растворенного вещества, которое содержится   в 1 л насыщенного раствора (моль / л).

В химической практике применяются растворы с различным содержанием растворенного вещества.  Для таких растворов используют следующие способы выражения концентрации растворенного вещества: массовая доля и  мольная доля растворенного вещества, молярная и моляльная концентрации, молярная концентрация эквивалента. Для представления расчетных формул в настоящем практикуме введены следующие обозначения:                          раствор(y) = растворенное вещество (x) + растворитель (z),  тогда,

-параметры растворенного вещества
— m(x) масса, M(x) молярная масса, Э(х)  эквивалент, n_м(х)- число молей, n_э(х) – число эквивалентов;

-параметры  раствора — m(y)– масса, V(y) — объем,  ρ(y) —  плотность;

-параметры растворителя — m(z) — масса, V(z) — объем, n_м(z) — число молей, ρ(z)-   плотность.

2.1 Массовая доля (С_%)

или процентная концентрация определяет, какую часть масса растворенного вещества  составляет от массы раствора (обычно в процентах), и рассчитывается как отношение:

С_%  =
m(х)  •100%    или    С_% =   m(х)       •100%

                                                           
m(у) )                                         m(х)+m(z)

Определение процентной концентрации можно сделать конкретной, если принять массу раствора за 100 г,

 тогда  С_%  = m(х)  т.е.
процентная концентрация (в %) показывает, сколько граммов растворенного вещества содержится в каждых 100 г раствора. 
Рассмотрим   5% раствор KCI.   

                  в 100 г (у) раствора    —   содержится  5 г  растворенного вещества (х)   или

                  ⠠ 95 г (z) растворителя  
—      содержится  5 г  (х).

Очевидно, что полученный результат будет справедлив для любого растворенного веществ, независимо от его природы (соль, кислота, основание и т.д.), так как концентрация не включает индивидуальную характеристику растворенного вещества – молярную массу (М г/моль).

2.2
Молярная концентрация (С_м)

или молярность определяет, сколько молей растворенного вещества содержится в каждом литре данного раствора, и рассчитывается как отношение количества растворенного вещества в молях  n_м(х), содержащегося в растворе, к объему этого раствора:

                 
n_м(х)
моль                 m(х)                    
m(х) • ρ(у)

  С_М   =  
—————   =   —————  
=   ————————             

                 
V(y)  л                М(х) V(y)             М(х)•[(m(z)+m(х)]

Рассмотрим пример: пусть дан 0,8 молярный раствор K₂SO₄ , плотность которого равна 1,02 г/мл.

В соответствии с определением С_М,   это значит_:

                                               
в 1л раствора содержится  —  0,8 моля соли,  или

                                               
в 1л раствора содержится   — 0,8 _*
174 г/моль = 139,2 г соли, или

                                               
в (1 л _*1,02 кг/л) кг  раствора содержится — 0,8 моля (139,2 г) соли.

2.3
Моляльная концентрация  (C_m)

или  моляльность определяет, сколько молей растворенного вещества приходятся на каждый килограмм растворителя, и рассчитывается как отношение количества растворенного вещества в молях  n(х)  к массе растворителя:                                n_м(х)
моль         m(х)                  
m(х)  

  С_m     —————
=  ———— =   ———————                  

                 
m(z) кг        М(х) m(z )         М(х)•[m(y)-m(х)]

Рассмотрим пример: пусть дан 0,8 моляльный раствор K₂SO₄ , плотность которого равна 1,01 г/мл. В соответствии с определением  С_m , это значит:

                           на 
1кг растворителя  приходится   —  0,8 моля соли,  или

                           на  1кг растворителя  приходится 
—   0,8 _* 174 г/моль (139,2 г) соли, или

                           в [1000 г(z) +139,2г(х)] (л) раствора  содержится — 0,8 моля (139,2 г) соли.

                              1,01 г/мл 10^-3 мл/л

2.4 Молярная концентрация  эквивалента 
(С_N)

или нормальность определяет, сколько молей эквивалента растворенного вещества содержится  в каждом литре раствора, и рассчитывается как отношение количества растворенного вещества в молях эквивалента n_э(х), содержащегося в растворе, к объему этого раствора:

          n_э(х)  моль                 m(х)                         С_М

С_N = —————
=   ———————    = 
————

         
V(у)  л              Э(х) М(х) • V (y)            
Э(х)

Пример:
для 1,6 N раствор K₂SO₄ , плотность которого равна 1,02 г/мл или 1,02 кг/л. В соответствии с определением  С_{N ,}  известно:  в 1л раствора содержится  —  1,6 эквивалентов  соли,  или

               в
1л раствора содержится   — 1,6 моль ( экв.) _* ½ _*174 г/моль = 139,2 г соли, или                                                               в (1 л _*1,02 кг/л) кг  раствора содержится — 1,6 (n_э) эквивалентов  соли.

2.5 Мольная доля (Сμ)

показывает, какую часть число молей растворенного вещества составляет от суммы числа молей растворенного вещества и растворителя в растворе. Для двухкомпонентного раствора состоящего из растворителя и одного растворенного вещества  мольная доля рассчитывается по уравнению:

                  n(х)                               m(x)/M(х)
Сμ   =   
——————  =     ———————————,

          n(х) + n(z)                     m(х)/M(x) + m(z)/M(z)

где n_м(z) — число молей растворителя, в котором растворили n_м(х) молей растворенного вещества. Очевидно, численное значение Сμ всегда  меньше  единицы ( или 100% ).

Рассмотрим пример: рассчитать число молей K₂SO₄, массу K₂SO₄ и массу растворителя Н₂О, если  мольная доля соли в растворе равна
0,01. Поскольку этот способ выражения  концентрации раствора является относительным, можно произвольно задать число молей растворителя, например,  n_м(z) = 0,99 (молей).  Тогда 

0,01 =  n_м (K₂SO₄) / n_м(K₂SO₄) + 0,99 ,

число молей n_м (K₂SO₄) равно  —  0,01 моль,

масса (K₂SO₄) = 0,01 моль_*
174 г/моль = 1,74 г;

масса растворителя (воды) равна  0,99 моль_*18 г/моль=17,82 г