Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

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.

Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

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:

Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

  • Массовый. Обозначается латинской буквой P и определяется количеством растворённого вещества в 100 граммах смеси. Для нахождения массовой концентрации используется формула: P = (n / (n + m)) * 100%, где: n — масса растворяемого вещества, m — масса растворителя, (n + m) — масса раствора. Сумма веществ выражается произведением объёма раствора на его плотность, то есть (n + m) = p * V и измеряется в граммах. Например, 25% раствор обозначает, что в 100 граммах смеси содержится 25 грамм вещества n.
  • Молярный. Показывает количество моль разжиженного тела в одном кубическом дециметре. Обозначается характеристика латинскими символами Cb и находится из выражения: Cb = v моль / V дм³. То есть запись: 0,6 M NaCl будет означать, что 0,6 моль NaCl растворено в одном кубическом дециметре смеси.
  • Эквивалентный. Способ ещё называется нормальным. Он так же как и молярный показывает количество растворённого вещества в дециметре кубическом, только используется моль эквивалента. Под последним понимается количество соединений с одним молем атома или замещения при прохождении реакций. Обозначается символом Cэ и находится по формуле Cэ = n / Mэкв * V дм³. Например, 0,1 HCl означает, что 0,1 моль эквивалента соляной кислоты содержится в 1 дм³ раствора.
  • Моляльный. Используется, чтобы узнать, какое количество моль разжиженного вещества находится в килограмме растворителя. Моляльность рассчитывается с помощью формулы: Cm = (n*100) / (M * m).
  • Титр раствора. Определяется количеством растворённого вещества, выраженного в одном сантиметре кубическом. Измеряется в граммах: Т = n / V см³.
  • 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.

    Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

    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:

    Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

    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

    Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

    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.

    Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

    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.

    Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

    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

    Определение молярной концентрации и формулы для её 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

    Определение молярной концентрации и формулы для её расчёта

    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%.

    Беликова Ирина

    Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта "Образование".

    Оцените автора
    Добавить комментарий

    Вставить формулу как
    Блок
    Строка
    Дополнительные настройки
    Цвет формулы
    Цвет текста
    #333333
    Используйте LaTeX для набора формулы
    Предпросмотр
    \({}\)
    Формула не набрана
    Вставить
    Adblock
    detector