В природе практически невозможно найти вещество в чистом виде. Тела соприкасаются, перемешиваются образуя смеси. Одним из видов описания растворов является молярная концентрация. Это важное понятие в химии, характеризующее количественную часть. Выражается чаще всего эта величина через массовую долю, показывающую чистоту раствора. Измеряется она в единичных долях или процентах и находится по химической формуле.
Основные понятия и определения
Под раствором в химии понимают твёрдую или жидкую однородную систему, состоящую из нескольких компонентов. Вещества образующие раствор разделяются на растворители и растворённые.
Например, сахар, находящийся в воде — такая смесь называется двухгомогенная. Если же в сахарную воду добавить уксус, то полученный раствор уже будет трёхгомогенный. Количество в смеси того или иного разжиженного компонента называется концентрацией. Изменяться она может в широких пределах.
Существует несколько способов выражения концентрации растворов:
Молярная масса и доли
Для измерения массы используются граммы, килограммы, тонны, но для обозначения количества вещества они не подходят. В химических процессах принимают участие различные частицы, такие как молекулы, атомы, ионы. Поэтому для того чтобы определить, сколько вещества содержится в той или иной смеси, ввели специальную единицу — моль. Иными словами — это множество, в котором объединены масса с числом.
Концентрация — это значение количества объёма раствора к растворенному в нём телу. Наиболее часто для измерения применяется массовая доля разжиженного вещества, молярная и нормальная концентрация. Массовая часть — это неизмеряемая величина. Складывается она из двух масс:
- растворителя — вещества способного ослаблять другие тела;
- растворимого — разжижающегося состава, поглощаемого растворителем.
Способность же вещества поглощаться другим называют растворимостью. При определении результата взаимодействия растворов находится массовая доля каждого из них.
Молярная масса показывает массу одного моль вещества и измеряется в граммах, делённых на моль. Если необходимо отмерить один моль, то нужно будет взять столько граммов вещества, сколько их содержится в относительной атомной массе или же, относительной молекулярной массе. Один моль всегда содержит постоянное число молекул, называемое константой Авогадро. Равно оно: N = 6 * 1023. Для того чтобы рассчитать число молекул в определённом веществе используют формулу:
N = Na * n, где Na — постоянная Авогадро, n — количество вещества. То есть моль — это количество в котором содержится 6 * 1023 молекул. Молярная концентрация определяет, сколько моль разжиженного вещества содержится в одном литре раствора.
Считается, что в единице объёма находится некая величина, определяемая числом молекул. Записывается это определение как n = N / V и называется концентрацией молекул. Измеряется она в м3. Важно отметить, что концентрация связана с плотностью соотношением: n = p / m0 и показывает число структурных молекул, находящихся в единице объёме. Поэтому плотность используется при нахождении массы на единицу объёма, а концентрация при вычислении количества молекул.
Массовая доля растворимого часто называется процентной концентрацией. При этом вместо процентного определения используется молярная концентрация. Другими словами, отношение количества к объёму в литрах. Зная число молей в одном литре довольно просто подобрать необходимое число молей используя специальную посуду.
Формулы перехода
Расчёт количества той или иной части концентрированной смеси, возможно, выполнить в различных единицах. Но между тем существуют формулы перехода от одних выражений к другим. При пересчёте происходит округление знака после запятой, поэтому при переходе с одной величины на другую появляется определённая погрешность.
Конвертация от массовой доли к молярной массе выполняется по формуле: Cb = (p * ɷb) / M (B), где: Cb — молярная концентрация, p — плотность, ɷb — массовая доля, M (B) — молярная масса. При этом когда плотность раствора изначально обозначается в грамм на миллилитр, а молярная в грамм на моль, то ответ необходимо умножить на 1 тыс. мл/л. Если же значение доли указано в процентах, то ответ необходимо разделить на 100%.
Для перехода от молярной к нормальной концентрации (молярной концентрации эквивалента), используется выражение: c * ((1 / z) * B) = Cb * z. Где молярность измеряется в моль на литр, а z — число эквивалентности (сопоставимое с одним молем катионов водорода в проходящей реакции). В определённых ситуациях выполняется и перевод массовой доли к титру. Выполняют это по формуле: T = p * ɷ, где p — плотность, измеряемая в граммах, делённых на миллилитры, а ɷ — массовая часть растворённого, в долях.
Перевести можно и молярность к титру. Используют для этого следующую формулу перехода: Т = Cb * M, в которой М — молярная масса разжиженного вещества. В случае же когда концентрация выражается в моль на литр, а масса в грамм на моль, ответ нужно разделить на 1 тыс. миллилитров на литр. Молярность связана с моляльностью формулой: mb = Cb / p, где р — плотность раствора, измеряемая в граммах, делённых на миллилитры.
Самый же сложный перевод происходит при конвертации моляльности к мольной доле. Для решения такой задачи используется формула для мольного элемента: Yb = mb / (mb + 1/ M (A)). В выражении mb обозначает моляльность, а M (A) — молярную массу растворителя. Чтобы ответ получился в одинаковых единицах измерения, цифра один в формуле представляется как 1000 г/кг. Это необходимо, когда моляльность подставляется в моль на килограмм, а масса в грамм на моль.
Вычисление концентрации
Чтобы получить раствор, необходимо между собой смешать растворитель и растворимое. Для того чтобы вычислить концентрацию, нужно знать или найти общий объём смеси, который будет равен сумме элементов, используемых при создании раствора. Измеряться концентрация может в различных величинах. Основные из них:
- грамм на литр (г/л) — отношение массы к объёму;
- молярность (моль) — содержание растворенных элементов к объёму раствора;
- миллионная часть (г / единица раствора) — соотношение растворённых веществ к одному миллиону единиц смеси;
- проценты (%) — ответ выражается в количестве растворённой доли в граммах к ста частям раствора.
Найти молярность, характеризуемую числом доли растворенных элементов, зная массу и формулу вещества несложно. Если количество растворённой части задано в других единицах, то их преобразуют в граммы.
Каждый элемент характеризуется молярной массой и определяется отношением массы к числу моль. Равна она атомной массе, которую можно взять из таблицы Менделеева. Для нахождения молярной величины нужно сложить все атомные числа элементов, смешанных в растворе.
Найдя молекулярное значение можно перейти к вычислению количества молей. Делается это с помощью формулы для молярной концентрации: масса растворённого вещества умножается на обратную молярную часть. Результат должен получиться в моль. На следующем этапе находится молярность. Полученное число молей делится на объём, измеряемого в литрах раствора. Обычно объёмом растворённой части пренебрегают.
По аналогии вычисляется концентрация и в процентном составе. Для этого нужно найти массу частей, составляющих раствор. На первом этапе все единицы измерения переводятся в граммы. Находится плотность, затем она умножается на объём и получается масса вещества в граммах. Вычисление концентрации в процентном составе находится как масса растворённого вещества, делённая на сумму массы растворяемого и растворителя, а после результат умножается на сто.
Так как проценты являются сотой долей, то для получения ответа в миллионной доле результат нужно умножить ещё на 10 тысяч.
Примеры расчёта
Определением молярности раствора занимается химия. В процессах участвуют различные частицы, количество которых даже в малых объёмах велико. Значение молярной концентрации определяется не только количественным, но и качественным составом. Самые простые задачи связаны с нахождением молярной массы. Например, для соединения CH4 она наводится следующим образом:
Мr (CH4) = Ar + 4Ar (H) = 12 + 4 =16
Получается, что масса метана содержит 16 г/моль или 6,02Ч * 1023 молекул. Буква «Ч» используется для обозначения части.
Теперь можно найти массу в объёмном количестве. Например, нужно определить массу метана смешанном в количестве двух моль. Так как для метана его масса составляет 16 г/моль, то ответом будет:
м (метан) = 2 * 16 = 32 г
Много задач встречается на нахождение массовой доли в растворе. Например, в 200 грамм соли добавили 80 грамм воды. Чтобы определить часть соли в полученной смеси необходимо найти первоначальную её долю в растворе: M1 = w * m = 0,14 * 200 = 28 гамм. Затем вычислить массу нового раствора: М2 = 200 + 80 = 280 грамм. И воспользовавшись формулой получить ответ: W = M1 / M2 = 28 / 280 = 0,100.
Немного сложнее задачи на расчёт грамм-эквивалента. Пусть нужно найти нормальность серной кислоты, смешанной с раствором щёлочи. При смешении образуется соединение: NaSO4. Так как при реакции серная кислота нейтрализует гидросульфат натрия только частично то можно записать: Н2SO4 + NaOH = NaHSO4 + Н2О. Серная кислота представляет основу равную единице, поэтому и фактор эквивалентности также будет составлять единицу.
Экв (H2SO4) =1 * ф = 1/1 = 1
Отсюда следует, что значение молярности эквивалента кислоты:
Мэкв (H2SO4) = M * Ф = M/1 = 98/1 = 98 г/экв
Нужно найти массовую часть и молярность эквивалента смеси, полученной при смешивании 400 мл раствора серной кислоты (p =1, 18 г/мл) и 400 мл восьмипроцентного раствора серной кислоты (p = 1,05 г/мл).
Вначале следует вычислить массу первого раствора и содержание в нём серной кислоты:
m (р-ра) = p (р-ра) * V (р-ра) = 1,18 * 400 = 720 г
m (H2SO4) = V (H2SO4) * м (H2SO4)= С (H2SO4) * V (р-ра) * М (H2SO4) = 720 * 0,2 — 98 = 46 г
Затем определить массу второго раствора и содержание в нём количества серной кислоты:
m (р-ра) = р (р-ра) * V (р-ра) = 1,05 * 400 = 420 г
m = m (р-ра) * (H2SO4)= 420 * 0,08 = 24 г
Часть полученного раствора находится по формуле:
ɷ (H2SO4) = m (H2SO4) / m (р-ра) = (46 + 24) / (720+420) = 0,146
Ответ удобнее записать в процентном соотношении — 14,6%.
