Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Способы выражения концентрации растворов
В технологии выполнения химических анализов необходимым этапом является приготовление растворов химических веществ. В химическом анализе используются различные растворенные вещества (реагенты, буферные смеси, фиксирующие агенты, консерванты и т.п.) и растворители (вода, этанол и водно-спиртовые смеси, органические экстрагенты). В учебных пособиях, руководствах для химиков-аналитиков, нормативных документах (ГОСТах, РД, МУ) и справочной литературе можно встретить различные способы выражения концентраций химических веществ. В настоящее время в международной системе единиц (СИ) они приводятся в соответствии с ГОСТ 8.417-81. Ниже мы остановимся на некоторых из них, наиболее часто используемых в аналитической химии, но сначала приведем краткую информацию по основополагающим единицам измерений, применяющихся при описании различных способов выражения концентраций химических веществ в растворах.
Масса вещества обозначается как т(А) (А - химический символ вещества) и обычно измеряется в граммах или миллиграммах.
Моль. За единицу количества вещества п(А) принят моль. Это такое количество вещества, которое содержит столько условных частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода-12, т. е. 6,02045 1023. Условной частицей может быть молекула, ион, электрон, группы частиц. Например, 1 молекула НС1 (1 моль молекул НCl); 0,1 иона Fe3+ (0,1 моль ионов Fe(III)); 1/6 часть иона Сг2O72- (1 моль 1/6 дихромат-иона). Записывают количество вещества следующим образом: n (НС1) = 1 моль; n (Fe3+) = 0,1 моль; n (1/6 Сг2O72-) = 1 моль.
Молярная масса. Масса одного моля вещества называется молярной массой вещества Ее обозначат буквой М и измеряют в гмоль-1. Например, М(Си) = 63,54 гмоль-1, M(H2SO4) = 98,08 гмоль-1.
Эквивалент. Фактор эквивалентности. Во многих химических реакциях принимает участие не целая частица вещества, а лишь ее часть - эквивалент. Вещества реагируют между собой эквивалентами — этот закон кратных отношений Дальтона в аналитической химии служит основой всех количественных расчетов, особенно в титриметрических методах анализа.
Эквивалентом называется некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-нибудь другим образом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Эквивалент - это безразмерная величина.
Однако на практике, при установлении стехиометрических соотношений в реакциях, удобнее пользоваться понятием фактор эквивалентности (fэкв). Фактор эквивалентности - число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества X эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции. Фактор эквивалентности - безразмерная величина, причем fэкв < 1 . Рассчитывают фактор эквивалентности на основании стехиометрии данной реакции, которая обязательно должна быть указана. Молекулы многопротонных кислот могут участвовать в реакциях различно, например, в реакции
H3PО4 + NaOH = NaH2PО4 + H2О (1)
каждый моль ортофосфорной кислоты отдает 1 моль ионов Н+ и фактор эквивалентности fэкв (H3PО4) = 1. А в реакции
H3PО4 + 2NaOH = Na2HPО4 + 2H2О (2)
каждый моль ортофосфорной соответствует уже двум молям ионов водорода, фактор эквивалентности fэкв (НзРО4) = 1/2.
Наконец, моль этой же кислоты может участвовать в реакции с тремя молями NaOH:
Н3РО4 + 3NaOH = Na3PО4 + 3H2О (3)
В этой реакции моль ортофосфорной кислоты соответствует трем молям ионов Н+ и фактор эквивалентности fэкв(H3PО4) = 1/3.
Рассмотрим реакцию нейтрализации ортофосфорной кислоты гидроксидом кальция:
2Н3РО4 + ЗСа(ОН)2 = Са3(РО4)2 + 6Н2О.
В этом случае на 2 моль ортофосфорной кислоты приходится 6 моль ионов водорода, т. е. 1 моль Н3РО4 соответствует 3 моль H+, значит fэкв (Н3РО4) = 1/3.
Аналогично вычисляют фактор эквивалентности оснований. В этой реакции на 3 моля Са(ОН)2 расходуется 6 Н+, а на 1 моль гидроксида кальция будет приходиться 2 моля ионов водорода, т.е. fэкв (Ca(OH)2) = 1/2.
Как видно из приведенных примеров, для кислотно-основных реакций эквивалент и фактор эквивалентности вещества находят непосредственно из уравнения путем установления эквивалентности соотношений реагирующих веществ относительно иона водорода или гидроксильной группы.
В окислительно-восстановительных реакциях эквивалент - условная частица, которая в данной реакции присоединяет или отдает один электрон. Здесь также пользуются уравнениями реакций, но с учетом количества отданных или принятых электронов.
Пример. Найти фактор эквивалентности перманганата калия в окислительно-восстановительных реакциях
1) 2KMnО4+ 10FeSO4 + 8H2SО4 = 2MnSО4 + 5Fe2(SО4)3 +
K2SО4 + 4H2О (4)
Mn7+ Mn2+ 2
2Fe2+ 2Fe3+ 5
Из приведенного уравнения видно, что в кислой среде каждая молекула КМnO4 принимает 5 электронов. Следовательно, fэкв (KMnО4) = 1/5.
Таким образом, для нахождения фактора эквивалентности окислителя нужно 1 разделить на число электронов, принимаемых 1 молекулой вещества в реакции.
Подобно этому фактор эквивалентности восстановителей находят делением 1 на число электронов, теряемых 1 молекулой вещества в реакции, т.к. 2 молекулы FeSO4 в этой реакции отдают 2 электрона, то на одну молекулу сульфата железа (II) приходится 1 электрон и fэкв (FeSO4) = 1.
При взаимодействии перманганата калия с НС1 в щелочной среде происходит реакция
2) 2KMnO4 + 10НС1 + 2КОН = 2MnO2 + 4КС1 + ЗС12 + 6Н2O (4)
Mn+7 Mn+4 2
2Cl- Cl2o 3
Здесь взаимодействие компонентов происходит при участии трех электронов, принимаемых молекулой перманганата, следовательно, фактор эквивалентности fэкв (KMnО4) =1/3.
Молярная масса эквивалента вещества(А) может быть выражена произведением фактора эквивалентности вещества А на его молярную массу:
Мэ (А) = fэкв (А) М(А), гмоль-1.
Например, для ортофосфорной кислоты в реакции (2)
Мэ(Н3РО4) = fэкв (Н3РО4) М(Н3РО4) = 1/2 98 = 46 гмоль-1,
а для перманганата калия в полуреакции (4)
Мэ(КМnO4) = fэкв (КМnO4) М(КМnO4) =1/5 158 = 31,6 гмоль-1.
Понятие «молярная масса эквивалента» равноценно прежнему «грамм-эквивалент», в современной литературе не используемому.
В аналитической химии часто имеют дело с количеством вещества в определенном объеме, т. е. с концентрацией. Особенно это важно для веществ в растворах. Единицей объема служит кубический метр (м3) или кубический дециметр (дм3), который в точности равен 1 литру (л).
Массовая концентрация — отношение массы растворенного вещества ms к объему раствора V. Для выражения массовой концентрации вещества кроме стандартизованных единиц (кг/дм3 или кг/л), часто используют также кратные дольные единицы. Например, массовую концентрацию, выраженную в граммах вещества в миллилитре раствора (г/мл), называют титром по исходному веществу, или просто титром. Эта единица дала название классическому методу анализа — титриметрия. При проведении однотипных титриметрических определений удобен титр по определяемому веществу — масса определяемого вещества, с которой реагирует 1 мл стандартного раствора. Например, = 0,0080 г /мл означает, что 1 мл раствора НС1 реагирует с 0,0080 г карбоната кальция.
Доля компонента. Часто состав раствора или других объектов выражают в доле компонента от общего количества вещества. Удобство такого способа выражения состава заключается в независимости от агрегатного состояния объекта. «Доля» означает отношение числа частей компонента к общему числу частей объекта. В зависимости от выбранной единицы различают молярную (), массовую () и объемную () доли:
= , = , = .
Массовую долю, выраженную в процентах, называют процентной концентрацией.
Пример. Содержание аскорбиновой кислоты в настое шиповника составляет 5,5 мг в 1 л. Выразите содержание аскорбиновой кислоты в массовой доле.
Найдем массовую долю аскорбиновой кислоты в растворе (учитывая, что 1 л имеет массу 103 г, а 5,5 мг = 5,5 10-3 г):
= = 5,5 10-6.
Молярная концентрация (с) - отношение числа молей растворенного вещества (А) к объему раствора. Она показывает, сколько молей вещества содержится в 1 л раствора.
= = , (5)
Где n(A) – число молей вещества А.
Таким образом, молярную концентрацию выражают в моль/дм3 или моль/л (моль растворенного вещества в литре раствора), и часто обозначают как М Например, с(НС1) = 0,1 моль/л или с(НС1) = 0,1 М; с(1/5 КМnO4) = 0,05 моль/л или с(1/5 КМnO4) = 0,05 М.
Молярный раствор - это раствор, содержащий 1 моль растворенного вещества в 1 л раствора. Растворы с содержанием 0,1, 0,01 и 0,001 М растворенного вещества называются соответственно деци-, санти- и миллимолярными.
Пример. Сколько граммов NaCl необходимо взять для приготовления 50 мл 0,1М раствора?
Молярная масса NaCl составляет M(NaCl) = 58,45 гмоль-1. Пользуясь формулой (5), рассчитаем массу NaCl, необходимую для приготовления 50 мл 0,1 М раствора, объем при этом должен быть выражен в литрах:
m(NaCl) = V M(NaCl) c (NaCl) = 50 10-3 58,45 0,1 = 0,2923 г
Навеску в 0,2923 г следует поместить в мерную колбу на 50 мл и долить дистиллированную воду до метки. Содержимое колбы перемешивать до полного растворения соли.
Молярная концентрация эквивалента вещества А(сэ(А)) ранее называемая "нормальной" ("н"), выражается количеством моль-эквивалентов, содержащихся в 1 л раствора (мольэкв/л) и находится по формуле
(A) = = , (6)
Где nэкв(А) – число молей эквивалента вещества А.
Как следует из выражений (5) и (6), исходное понятие моля вещества п(А) как его количества, выраженного в "условных частицах", приводит фактически к равнозначности понятий "моль вещества" и "моль эквивалента вещества". При определении соответствующих концентраций (с(А) и сэ(А)) основное значение имеет молярная масса "условной частицы", для нахождения которой используют фактор эквивалентности (fэкв).
Подставляя значение Мэ(А) = fэкв(А) М(А) в выражение (6), получим взаимосвязь между молярной концентрацией и молярной концентрацией эквивалента:
с(А) = fэкв(А) сэ(А) (7)
Как видно из приведенной формулы, при использовании этой концентрации необходимо указывать фактор эквивалентности, иначе возникает неоднозначность. Например, 0,1 мольэкв/л может означать, что в 1 л содержится 49 г ортофосфорной кислоты (при fэкв = 1/2; см. реакцию (2)) или 98 г (при fэкв = 1; реакция (1)).
Таким образом, в привлечении молярной концентрации эквивалента нет особой необходимости, достаточно молярной концентрации. Например, 0,1 мольэкв/л Н3РО4 (fэкв = 1/2) то же, что 0,1 М (1/2 Н3РО4); 0,05 н KMnО4 (fэкв = 1/5) то же, что 0,05 М (1/5 КМnO4). Однако термин "молярная концентрация эквивалента" традииионно употребляют для обозначения эквивалентности взаимодействия реагирующих веществ. При этом имеют в виду просто молярную концентрацию того или иного количества условных частиц. Необходимо отметить, что понятие о молярной концентрации как о количестве молей эквивалентов вещества введено ИЮПАК уже в 1969 г.