Концентрация растворов. Приготовление водных растворов

 

Для качественной характеристики растворов используют понятия «разбавленный раствор» и «концентрированный раствор». Разбавленный раствор содержит мало растворенного вещества, концентрированный – много растворенного вещества. Между концентрированным и разбавленным растворами нет резкой границы, она условна. Разбавленный раствор может быть насыщенным, если вещество практически не растворяется в воде (например, насыщенные растворы AgCl, BaSO₄ и т.д.). В то же время концентрированный раствор (например, сахарозы) может быть ненасыщенным, так как растворимость сахарозы равна 179 г при 0°С в 100 мл воды.

Количественный состав растворов выражается концентрацией. Концентрацией раствора называется количество растворенного вещества в определённом количестве раствора или растворителя.

В химической практике наиболее употребительны следующие способы выражения концентраций.

1. Массовая доля растворённого вещества – это отношение массы растворённого вещества Х к общей массе раствора:

 

,

 

где ω (Х) – массовая доля растворенного вещества Х, выраженная в долях единицы; m(X) – масса растворенного вещества Х, г; m – общая масса раствора, г. Массовую долю можно выражать также в процентах (%):

 

.

 

Если массовая доля растворенного хлорида натрия в растворе равна 0,03, или 3 %, то это означает, что в 100 г раствора содержится 3 г хлорида натрия и 97 г воды.

Зависимость между объемом (V) и массой раствора (m) выражается формулой

m = ρV,

 

где ρ – плотность раствора, г/мл; V – объем раствора, мл; m – масса, г.

2. Молярная концентрация выражается числом молей растворённого вещества, содержащимся в 1 л раствора (моль/л). Концентрация, выраженная этим способом, называется мольно-объёмной концентрацией или молярностью и обозначается буквой М. Так, 2 М H₂SO₄ означает раствор H₂SO₄, в каждом литре которого содержится 2 моля, т.е. 2 ^. 98 = 196 г H₂SO₄.

3. Нормальность выражается количеством эквивалентов, растворённых в 1 л раствора (моль/л). Концентрация, выраженная этим способом, называется эквивалентной концентрацией или нормальностью и обозначается буквой «Н». Так, 2 Н H₂SO₄ означает раствор H₂SO₄, в каждом литре которого содержится 2 эквивалента или 98 г H₂SO₄.

4. Моляльная концентрация – количество моль растворённого вещества, приходящее на 1 кг растворителя (моль/кг). Обозначается буквой m. Концентрация выраженная этим способом, называется мольно-массовой концентрацией или моляльностью. Так, 2 m H₂SO₄ означает раствор серной кислоты, в котором на 1кг воды приходится 2 моля H₂SO₄. Мольно-массовая концентрация раствора в отличие от его молярности не изменяется при изменении температуры.

5. Мольная доля – отношение количества моль данного вещества к общему количеству моль всех веществ, имеющихся в растворе. Концентрация, выраженная этим способом, обычно обозначается для растворителя N₁, для растворенных веществ – N₂, N₃ и т.д. В случае раствора одного вещества в другом мольная доля растворенного вещества N₂ равна

 

,

 

где n₁ и n₂ – число молей растворителя и растворенного вещества соответственно.

Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Пусть V₁ л раствора вещества 1 с нормальностью N₁ реагирует с V₂ л раствора вещества 2с нормальностью N₂. Это означает, что в реакцию вступило N₁V₁ эквивалентов вещества 1 и N₂V₂ эквивалентов вещества 2.

 

 

Так как вещества реагируют в эквивалентных количествах, следовательно,

 

N₁V₁ = V₂N₂ или V₁:V₂ = N₂:N₁.

 

Таким образом, объёмы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.

6. Титр Т – масса вещества, содержащегося в 1 мл раствора, г/мл:

 

.

 

Титр связан с нормальностью соотношением

 

,

 

где М_э – молярная масса эквивалента вещества.

 

Плотность растворов. Плотность раствора – это отношение его массы к объему, выражается в единицах г/см³ и обозначается буквой r.

Плотность раствора изменяется при изменении его концентрации. Она может быть определена при помощи пикнометра, ареометра, гидростатических весов и др.

Для быстрого определения плотности жидкости служит ареометр. Ареометр представляет собой запаянную стеклянную трубку, нижний конец которой заполнен дробью или ртутью. Внутри верхней части трубки имеется шкала, отградуированная в единицах плотности. Плотность жидкости соответствует тому делению шкалы, до которого погружается ареометр при испытании. От плотности раствора можно перейти к процентному содержанию, если в таблицах не имеется цифры, точно отвечающей сделанному отсчету на шкале ареометра, а есть близкие величины (немного больше и немного меньше). В таком случае процентное содержание растворенного вещества вычисляют методом интерполяции (определение промежуточной величины по двум известным крайним).

Предположим, что имеется раствор серной кислоты с плотностью 1,200. По таблице находим, что для растворов серной кислоты с плотностью 1,174 и 1,205 процентная концентрация соответственно равна 24 и 28 %.

Считаем, что процентное содержание изменяется прямо пропорционально изменению плотности. Разница плотности равна 1,205 – 1,174 = 0,031, а разница в процентном содержании составляет 28% - 24% = 4%.

Находим разницу между плотностью нашего раствора и плотностью раствора кислоты с меньшей концентрацией. Она равна 1,200 – 1,174 = 0,026.

Увеличение плотности на 0,031 соответствует увеличению процентного содержания на 4%, а увеличение процентного содержания, соответствующее увеличению плотности на 0,026, находим из пропорции

0,031 – 4%

0,026 – х

х = 3,35%.

Прибавляем к процентному содержанию кислоты в растворе с меньшей плотностью 3,35% и получаем искомое процентное содержание

24% + 3,35% = 27,35%.