Как найти молярную концентрацию смеси - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

Концентра́ция или до́ля компонента смеси — величина, количественно характеризующая содержание компонента относительно всей смеси. Терминология ИЮПАК под концентрацией компонента понимает четыре величины: соотношение молярного, или численного количества компонента, его массы, или объёма исключительно к объёму раствора^[1] (типичные единицы измерения — соответственно моль/л, л⁻¹, г/л, и безразмерная величина). Долей компонента ИЮПАК называют безразмерное соотношение одной из трёх однотипных величин — массы, объёма или количества вещества.^[2] Однако в обиходе термин «концентрация» могут применять и для долей, не являющихся объёмными долями, а также к соотношениям, не описанным ИЮПАК. Оба термина могут применяться к любым смесям, включая механические смеси, но наиболее часто применяются к растворам.

Можно выделить несколько типов математического описания: массовая концентрация, молярная концентрация, концентрация частиц и объемная концентрация^[3].

Эти стаканы, содержащие красный краситель, демонстрируют качественные изменения концентрации. Растворы слева более разбавлены, по сравнению с более концентрированными растворами справа.

Массовая доля[править | править код]

Массовая доля

определение	Массовая доля компонента — отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов.
обозначение	— по рекомендациям ИЮПАК^[4]. — чаще в русскоязычной литературе. В технической литературе: — для массовой доли жидкой смеси — для массовой доли газовой смеси
единицы измерения	доли, %_масс (для выражения в %_масс следует умножить указанное выражение на 100 %)
формула	${displaystyle omega _{mathrm {B} }={frac {m_{mathrm {B} }}{m}}}$ где: ω_B — массовая доля компонента B m_B — масса компонента B; — общая масса всех компонентов смеси.

В бинарных растворах часто существует однозначная (функциональная) зависимость между плотностью раствора и его концентрацией (при данной температуре). Это даёт возможность определять на практике концентрации важных растворов с помощью денсиметра (спиртометра, сахариметра, лактометра). Некоторые ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора (спирта, жира в молоке, сахара). Следует учитывать, что для некоторых веществ кривая плотности раствора имеет максимум, в этом случае проводят два измерения: непосредственное, и при небольшом разбавлении раствора.

Часто для выражения концентрации (например, серной кислоты в электролите аккумуляторных батарей) пользуются просто их плотностью. Распространены ареометры (денсиметры, плотномеры), предназначенные для определения концентрации растворов веществ.

Объёмная доля[править | править код]

Объёмная доля

определение	Объёмная доля — отношение объёма компонента к сумме объёмов компонентов до смешивания.
обозначение	${displaystyle phi _{mathrm {B} }}$
единицы измерения	доли единицы, %_об (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %)
формула	${displaystyle phi _{mathrm {B} }={frac {V_{mathrm {B} }}{sum V_{i}}}}$ , где: ${displaystyle phi _{mathrm {B} }}$ — объёмная доля компонента B, V_B — объём компонента B; ${displaystyle sum V_{i}}$ — сумма объёмов всех компонентов до смешивания.

При смешивании жидкостей их суммарный объём может уменьшаться, поэтому не следует заменять сумму объёмов компонентов на объём смеси.

Как было указано выше, существуют ареометры, предназначенные для определения концентрации растворов определённых веществ. Такие ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора. Для распространённых растворов этилового спирта, концентрация которых обычно выражается в объёмных процентах, такие ареометры получили название спиртомеров или андрометров.

Молярность (молярная объёмная концентрация)[править | править код]

Молярная концентрация (молярность, мольность^[5])

определение	Молярность — количество вещества (число молей) компонента в единице объёма смеси.
обозначение	По рекомендации ИЮПАК, обозначается буквой или , где B — вещество, концентрация которого указывается.^[6]
единицы измерения	В системе СИ — моль/м³ На практике чаще — моль/л или ммоль/л. Также используют выражение «в молярности». Возможно другое обозначение молярной концентрации, которое принято обозначать М. Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/л называют 0,5-молярным, записывают «0,5 M». Примечание: После числа пишут «моль», подобно тому, как после числа пишут «см», «кг» и т. п., не склоняя по падежам.
формула	${displaystyle {c_{mathrm {B} }}={frac {n_{mathrm {B} }}{V}}}$ , где: ${displaystyle n_{mathrm {B} }}$ — количество вещества компонента, моль; V — общий объём смеси, л

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)[править | править код]

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)

определение	Нормальная концентрация — количество эквивалентов данного вещества в 1 литре смеси.
обозначение	${displaystyle C_{N}(B)}$ , ${displaystyle C_{H}(B)}$ , ${displaystyle c(f_{eq}~mathrm {B} )}$
единицы измерения	Нормальную концентрацию выражают в моль-экв/л или г-экв/л (имеется в виду моль эквивалентов). Для записи концентрации таких растворов используют сокращения «н» или «N». Например, раствор, содержащий 0,1 моль-экв/л, называют децинормальным и записывают как 0,1 н.
формула	${displaystyle c(f_{eq}~mathrm {B} )=c{big (}(1/z)~mathrm {B} {big )}=zcdot c_{mathrm {B} }=zcdot {frac {n_{mathrm {B} }}{V}}={frac {1}{f_{eq}}}cdot {frac {n_{mathrm {B} }}{V}}}$ , где: ${displaystyle n_{mathrm {B} }}$ — количество вещества компонента, моль; — общий объём смеси, литров; — число эквивалентности (фактор эквивалентности $f_{{eq}}=1/z$ ).

Нормальная концентрация может отличаться в зависимости от реакции, в которой участвует вещество. Например, одномолярный раствор H₂SO₄ будет однонормальным, если он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата калия KHSO₄, и двухнормальным в реакции с образованием K₂SO₄.

Мольная (молярная) доля[править | править код]

Мольная (молярная) доля

определение	Мольная доля — отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов.
обозначение	ИЮПАК рекомендует обозначать мольную долю буквой (а для газов — )^[7], также в литературе встречаются обозначения , .
единицы измерения	Доли единицы или %_мольн (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %)
формула	${displaystyle x_{mathrm {B} }={frac {n_{mathrm {B} }}{sum n_{i}}}}$ , где: ${displaystyle x_{mathrm {B} }}$ — мольная доля компонента B; ${displaystyle n_{mathrm {B} }}$ — количество компонента B, моль; $sum n_{i}$ — сумма количеств всех компонентов.

Мольная доля может использоваться, например, для количественного описания уровня загрязнений в воздухе, при этом её часто выражают в частях на миллион (ppm — от англ. parts per million). Однако, как и в случае с другими безразмерными величинами, во избежание путаницы, следует указывать величину, к которой относится указанное значение.

Моляльность (молярная весовая концентрация, моляльная концентрация)[править | править код]

Моляльная концентрация (моляльность,^[5] молярная весовая концентрация)

определение	Моляльная концентрация (моляльность,^[5] молярная весовая концентрация) — количество растворённого вещества (число моль) в 1000 г растворителя.
обозначение	Примечание: чтобы не путать с массой, в тех формулах где применяется моляльность, массу обозначают как
единицы измерения	моль/кг. Также распространено выражение в «моляльности». Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/кг называют 0,5-мольным.
формула	${displaystyle {m_{mathrm {B} }}={frac {n_{mathrm {B} }}{m_{mathrm {A} }}}}$ , где: ${displaystyle n_{mathrm {B} }}$ — количество растворённого вещества, моль; ${displaystyle m_{mathrm {A} }}$ — масса растворителя, кг.

Следует обратить особое внимание, что, несмотря на сходство названий, молярная концентрация и моляльность — величины различные. Прежде всего, в отличие от молярной концентрации, при выражении концентрации в моляльности расчёт ведут на массу растворителя, а не на объём раствора. Моляльность, в отличие от молярной концентрации, не зависит от температуры.

Массовая концентрация (Титр)[править | править код]

Массовая концентрация (Титр)

определение	Массовая концентрация — отношение массы растворённого вещества к объёму раствора.
обозначение	или — по рекомендации ИЮПАК^[8]. — в аналитической химии
единицы измерения	доли, %_масс (для выражения в %_масс следует умножить указанное выражение на 100 %)
формула	${displaystyle rho _{mathrm {B} }={frac {m_{mathrm {B} }}{V}}}$ . где: ${displaystyle m_{mathrm {B} }}$ — масса растворённого вещества; — общий объём раствора;

В аналитической химии используется понятие титр по растворённому или по определяемому веществу (обозначается буквой ).

Концентрация частиц[править | править код]

определение	Концентрация частиц — отношение числа частиц N к объёму V, в котором они находятся
обозначение	— по рекомендации ИЮПАК^[9]. однако также часто встречается обозначение (не путать с количеством вещества).
единицы измерения	м⁻³ — в системе СИ, 1/л
формула	${displaystyle C_{mathrm {B} }={frac {N_{mathrm {B} }}{V}}={frac {n_{mathrm {B} }cdot N_{mathrm {A} }}{V}}=c_{mathrm {B} }cdot N_{mathrm {A} }}$ , где: ${displaystyle N_{mathrm {B} }}$ — количество частиц, — объём, ${displaystyle {ce {n_{mathrm {B} }}}}$ — количество вещества B, ${displaystyle N_{mathrm {A} }}$ — постоянная Авогадро, ${displaystyle c_{mathrm {B} }}$ — молярная концентрация B.

Весообъёмные (массо-объёмные) проценты[править | править код]

Иногда встречается использование так называемых «весообъёмных процентов»^[10], которые соответствуют массовой концентрации вещества, где единица измерения г/(100 мл) заменена на процент. Этот способ выражения используют, например, в спектрофотометрии, если неизвестна молярная масса вещества или если неизвестен состав смеси, а также по традиции в фармакопейном анализе.^[11] Стоит отметить, что поскольку масса и объём имеют разные размерности, использование процентов для их соотношения формально некорректно. Также международное бюро мер и весов^[12] и ИЮПАК^[13] не рекомендуют добавлять дополнительные метки (например «% (m/m)» для обозначения массовой доли) к единицам измерения.

Другие способы выражения концентрации[править | править код]

Существуют и другие, распространённые в определённых областях знаний или технологиях, методы выражения концентрации. Например, при приготовлении растворов кислот в лабораторной практике часто указывают, сколько объёмных частей воды приходится на одну объёмную часть концентрированной кислоты (например, 1:3). Иногда используют также отношение масс (отношение массы растворённого вещества к массе растворителя) и отношение объёмов (аналогично, отношение объёма растворяемого вещества к объёму растворителя).

Применимость способов выражения концентрации растворов, их свойства[править | править код]

В связи с тем, что моляльность, массовая доля, мольная доля не включают в себя значения объёмов, концентрация таких растворов остаётся неизменной при изменении температуры. Молярность, объёмная доля, титр, нормальность изменяются при изменении температуры, так как при этом изменяется плотность растворов. Именно моляльность используется в формулах повышения температуры кипения и понижения температуры замерзания растворов.

Разные виды выражения концентрации растворов применяются в разных сферах деятельности, в соответствии с удобством применения и приготовления растворов заданных концентраций. Так, титр раствора удобен в аналитической химии для волюмометрии (титриметрического анализа) и т. п.

Формулы перехода от одних выражений концентраций к другим[править | править код]

В зависимости от выбранной формулы погрешность конвертации колеблется от нуля до некоторого знака после запятой.

От молярности к нормальности[править | править код]

${displaystyle {c((1/z)~mathrm {B} )}={c_{mathrm {B} }}cdot {z}}$

где:

От молярности к титру[править | править код]

${displaystyle {T}={c_{mathrm {B} }}cdot {M}}$

где:

${displaystyle {c_{mathrm {B} }}}$ — молярная концентрация;
— молярная масса растворённого вещества.

Если молярная концентрация выражена в моль/л, а молярная масса — в г/моль, то для выражения ответа в г/мл его следует разделить на 1000 мл/л.

От массовой доли к молярности[править | править код]

${displaystyle c_{mathrm {B} }={frac {rho cdot omega _{mathrm {B} }}{M(mathrm {B} )}}}$

где:

Если плотность раствора выражена в г/мл, а молярная масса в г/моль, то для выражения ответа в моль/л выражение следует домножить на 1000 мл/л. Если массовая доля выражена в процентах, то выражение следует также разделить на 100 %.

От массовой доли к титру[править | править код]

где:

От моляльности к молярности[править | править код]

${displaystyle {c_{mathrm {B} }}=m_{mathrm {B} }{frac {mathrm {m} (A)}{V}}}$

где:

${displaystyle m_{mathrm {B} }}$ — моляльность,
— масса растворителя,
— суммарный объём раствора,

От моляльности к мольной доле[править | править код]

${displaystyle x_{mathrm {B} }={frac {m_{mathrm {B} }}{m_{mathrm {B} }+{frac {1}{M(mathrm {A} )}}}}}$

где:

${displaystyle m_{mathrm {B} }}$ — моляльность,
— молярная масса растворителя.

Если моляльность выражена в моль/кг, а молярная масса растворителя в г/моль, то единицу в формуле следует представить как 1000 г/кг, чтобы слагаемые в знаменателе имели одинаковые единицы измерения.

Сводная таблица[править | править код]

Формулы перехода от одних выражений концентраций к другим

			ω_B	φ_B	x_B	c_B	C_B	m_B	T_B
массовая доля	г/г	ω_B	${displaystyle omega _{mathrm {B} }={frac {mathrm {m} (B)}{mathrm {m} }}}$	${displaystyle omega _{mathrm {B} }=phi _{mathrm {B} }{frac {rho (B)}{rho }}}$	${displaystyle omega _{B}={frac {1}{{frac {M_{mathrm {A} }}{M_{mathrm {B} }}}({frac {1}{x_{mathrm {B} }}}-1)+1}}}$	${displaystyle omega _{B}={frac {M_{B}cdot c_{mathrm {B} }}{rho }}}$	${displaystyle omega _{B}={frac {M_{B}cdot c_{mathrm {B} }}{rho cdot N_{A}}}}$	${displaystyle omega _{mathrm {B} }={frac {m_{mathrm {B} }}{m_{mathrm {B} }+{frac {1}{M_{B}}}}}}$	${displaystyle omega _{B}={frac {T_{B}}{rho }}}$
объёмная доля	л/л	φ_B	${displaystyle phi _{mathrm {B} }={frac {omega _{B}}{rho (B)/rho }}}$	${displaystyle phi _{mathrm {B} }={frac {V_{mathrm {B} }}{V}}}$
мольная доля	моль/моль	x_B	${displaystyle x_{mathrm {B} }={frac {1}{{frac {M_{mathrm {B} }}{M_{mathrm {A} }}}({frac {1}{omega _{B}}}-1)+1}}}$		${displaystyle x_{mathrm {B} }={frac {n_{mathrm {B} }}{n}}}$	${displaystyle x_{mathrm {B} }={frac {c_{mathrm {B} }cdot V}{n}}}$		${displaystyle x_{mathrm {B} }={frac {m_{mathrm {B} }}{m_{mathrm {B} }+{frac {1}{M_{A}}}}}}$
молярность	моль/л	c_B	${displaystyle c_{mathrm {B} }={frac {rho cdot omega _{B}}{M_{B}}}}$		${displaystyle c_{mathrm {B} }={frac {x_{mathrm {B} }cdot n}{V}}}$	${displaystyle {c_{mathrm {B} }}={frac {n_{mathrm {B} }}{V}}}$		${displaystyle {c_{mathrm {B} }}=m_{mathrm {B} }{frac {mathrm {m} (A)}{V}}}$
нормальность	моль-экв/л	c((1/z) B)	${displaystyle c((1/z)~mathrm {B} )={frac {rho cdot omega _{B}}{M_{B}}}cdot z}$			${displaystyle {c((1/z)~mathrm {B} )}={c_{mathrm {B} }}cdot {z}}$
концентрация частиц	1/л	C_B	${displaystyle C_{mathrm {B} }={frac {rho cdot omega _{B}}{M_{B}}}cdot N_{A}}$			${displaystyle C_{mathrm {B} }=c_{mathrm {B} }cdot N_{mathrm {A} }}$	${displaystyle C_{mathrm {B} }={frac {N_{mathrm {B} }}{V}}}$
моляльность	моль/кг_р-ля	m_B	${displaystyle m_{mathrm {B} }={frac {omega _{B}}{M_{B}(1-omega _{B})}}}$					${displaystyle {m_{mathrm {B} }}={frac {n_{mathrm {B} }}{mathrm {m} (A)}}}$
титр	г/мл	T_B	${displaystyle {T_{B}}={rho }cdot {omega _{B}}}$			${displaystyle {T_{B}}={c_{mathrm {B} }}cdot {M}}$			${displaystyle T_{mathrm {B} }={frac {mathrm {m} (B)}{V}}}$

${displaystyle m_{mathrm {B} }}$ — моляльность вещества B,
— масса вещества B,
— масса растворителя,
— масса раствора,
$T_{B}$ — титр (массовая концентрация) B,
— плотность вещества B,
— плотность раствора,
— суммарный объём раствора,
${displaystyle N_{mathrm {A} }}$ — постоянная Авогадро,
${displaystyle N_{mathrm {B} }}$ — количество частиц вещества В,
${displaystyle n_{mathrm {B} }}$ — количество вещества В,
— количество раствора,
— молярная масса,

Примечания[править | править код]

↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. concentration (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098. — doi:10.1351/goldbook.C01222. Архивировано 20 июля 2018 года.
↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. fraction (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098. — doi:10.1351/goldbook.F02494. Архивировано 20 августа 2018 года.
↑ IUPAC Gold Book internet edition: «concentration».
↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book – mass fraction, w (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 13 декабря 2018 года.
↑ ¹ ² ³ Z. Sobecka, W. Choiński, P. Majorek. Dictionary of Chemistry and Chemical Technology: In Six Languages: English / German / Spanish / French / Polish / Russian. — Elsevier, 2013-09-24. — С. 641. — 1334 с. — ISBN 9781483284439.
↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book – amount concentration, c (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 21 декабря 2018 года.
↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book – amount fraction, x ( y for gaseous mixtures) (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 22 декабря 2018 года.
↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book – mass concentration, γ, ρ (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 16 декабря 2018. Архивировано 7 декабря 2018 года.
↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book – number concentration, C,n (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 22 декабря 2018 года.
↑ Способы приготовления растворов на МедКурс. Ru. Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 29 октября 2012 года.
↑ Бернштейн И. Я., Каминский Ю. Л. Спектрофотометрический анализ в органической химии. — 2-е изд. — Ленинград: Химия, 1986. — с. 5
↑ The International System of Units (SI). www.bipm.org. Дата обращения: 23 декабря 2018. Архивировано из оригинала 14 августа 2017 года.
↑ Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry. www.iupac.org. Дата обращения: 23 декабря 2018. Архивировано из оригинала 20 декабря 2016 года.

Источник

При решении химических задач, при расчётах на работе, да и просто в жизни иногда приходится рассчитывать концентрации. Неважно, будет это школьная теоретическая задача, необходимость приготовить электролит для аккумулятора автомобиля, надобность узнать количество сахара для компота — все расчёты концентраций выполняются по известным формулам, которых не так много. Однако, с этим часто возникают трудности.

Прочитав эту статью, Вы научитесь легко рассчитывать концентрации веществ и при надобности играючи переводить одну концентрацию в другую. В статье приводятся примеры задач с решениями, а в конце приведём справочную табличку с формулами, которую можно распечатать и держать под рукой.

Массовая доля

Начнём с простого, но в то же время нужного способа выражения концентрации компонента в смеси — массовой доли.

Массовая доля есть отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов. Обозначать её принято буквой w или ω (омега).

Рассчитывается массовая доля по формуле:

Large w_{i}=frac{m_{i}}{m}, ;;;;;(1)

где Large w_{i} — массовая доля компонента i в смеси,

Large m_{i} — масса этого компонента,

m — масса всей смеси.

И сразу разберём на примере:

Задача:

Зимой дороги посыпают песком с солью. Известно, что куча имеет массу 50 кг, и в неё всыпали 1 кг соли и перемешали. Найти массовую долю соли.

Решение:

Масса соли есть Large m_{i} по формуле выше. Масса всей смеси нам пока неизвестна, но найти её легко. Просуммируем массу песка и соли:

Large m = m_{п}+m_{с}= 50 кг + 1 кг = 51 кг

А теперь находим и массовую долю:

Large w_{с} = frac{m_{с}}{m} = 1 кг / 51 кг = 0.0196,

или умножаем на 100% и получаем 1.96%.

Ответ: 0.0196, или 1.96%.

Теперь решим что-то посложнее, и ближе к ЕГЭ.

Задача:

Смешали 200 г раствора глюкозы с массовой концентрацией 25% и 300 г раствора глюкозы с массовой концентрацией 10%. Найти массовую концентрацию полученного раствора, ответ округлить до целых.

Решение:

Обозначим первый и второй растворы соответственно Large m_{1} и Large m_{2}. Массу полученного после смешения раствора обозначим Large m и найдём:

Large m = m_{1} + m_{2} = 200 г + 300 г = 500 г

Массу самой глюкозы в первом и втором растворе обозначим Large m_{гл. 1} и Large m_{гл. 2}. По формуле (1) это будут наши массы компонентов. Массы растворов нам известны, их массовые концентрации тоже. Как найти массу компонента? Очень просто, находим неизвестное делимое умножением (и не забываем, что проценты — это сотые части):

Large m_{гл. 1} = w_{1}cdot m_{1} = 0.25 cdot 200 г = 50 г

Large m_{гл. 2} = w_{2}cdot m_{2} = 0.1 cdot 300 г = 30 г

Таким образом, общая масса глюкозы Large m_{гл}:

Large m_{гл} = m_{гл. 1} + m_{гл. 2} = 50 г + 30 г = 80 г.

Ответ: 80 г.

Задачи на смешение раствором с разными концентрациями одного вещества можно решать с помощью «конверта Пирсона».

Объёмная доля

Часто, когда мы имеем дело с жидкостями и газами, удобно оперировать их объёмами, а не массой. Поэтому, чтобы выражать долю какого-либо компонента в таких смесях (но и в твёрдых тоже вполне можно), пользуются понятием объёмной доли.

Объёмная доля компонента — отношение объёма компонента к сумме объёмов компонентов до смешивания. Объёмная доля измеряется в долях единицы или в процентах. Обычно обозначается греческой буквой φ (фи).

Рассчитывается объёмная доля по формуле:

Large phi_{B}=frac{V_{B}}{sum{V_{i}}}, ; ;;;; (2)

где Large phi_{B} — объёмная доля компонента B;

Large V_{B} — объём компонента B;

Large sum{V_{i}} — сумма объёмов всех компонентов.

Здесь важно понимать, что в формулу по возможности подставляем именно сумму объёмов всех компонентов, а не объём смеси, так как при смешивании некоторых жидкостей суммарный объём уменьшается. Так, если смешать литр воды и литр спирта, два литра аквавита мы не получим — будет примерно 1800 мл. В школьных задачах, как правило, это не так важно, но в уме держим и помним.

Задача:

Смешали 6 объёмов воды и 1 объём серной кислоты. Найти объёмную долю кислоты в полученном растворе.

Решение:

Так как объёмная доля — безразмерная величина, объёмы компонентов в условии задачи могут даваться в любых единицах — литрах, стаканах, баррелях, штофах, сексталях — главное, чтобы в одинаковых. Если не так — переводим одни в другие, если одинаковые — решаем. В нашем условии описаны просто некоторые «объёмы», их и подставляем.

Large phi_{H_{2}SO_{4}} = frac{V_{ H_{2}SO_{4} }} { V_{ H_{2}SO_{4}} + V_{H_{2}O}} = frac{1 : объём}{1 : объём + 6 : объёмов} = frac{1 : объём}{7 : объёмов} = 0.143, : или : 14.3%

Ответ: 14.3 %.

С газами всё обстоит немного интереснее — при не очень больших давлениях и температурах объёмная доля какого-либо газа в газовой смеси равна его мольной доле. (Ведь мы знаем, что молярный объём газов почти равен 22.4 л/моль).

Задача:

Мольная доля кислорода в сухом воздухе составляет 0.21. Найдите объёмную долю азота, если объёмная доля аргона составляет 1%.

Решение:

Внимательный читатель заметил, что мы написали о том, что объёмная и мольная доля для газов в смеси равны. Поэтому, объёмная доля кислорода равна также 0.21, или 21%. Найдём объёмную долю азота:

Large 100% – 21% – 1% = 78%.

Ответ: 78%.

Мольная доля

В тех случаях, когда нам известны количества веществ в смеси, мы можем выразить содержание того или иного компонента с помощью мольной доли.

Мольная доля — отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов. Мольную долю выражают в долях единицы. ИЮПАК рекомендует обозначать мольную долю буквой x (а для газов — y).

Находят мольную долю по формуле:

Large x_{B} = frac{n_{B}}{sum{n_{i}}}, ;;;;;(3)

где Large x_{B} — мольная доля компонента B;

Large n_{B} — количество компонента B, моль;

Large sum{n_{i}} — сумма количеств всех компонентов.

Разберём на примере.

Задача:

При неизвестных условиях смешали 3 кг азота, 1 кг кислорода и 0.5 кг гелия. Найти мольную долю каждого компонента полученной газовой смеси.

Решение:

Сначала находим количество каждого из газов (моль):

Large n_{N_{2}} = frac{ m_{N_{2}}}{M_{N_{2}}} = frac {3000 : г}{28 : ^г/_{моль}} = 107.14 : моль

Large n_{O_{2}} = frac{ m_{O_{2}}}{M_{O_{2}}} = frac {1000 : г}{32 : ^г/_{моль}} = 31.25 : моль

Large n_{He} = frac{ m_{He}}{M_{He}} = frac {500 : г}{4 : ^г/_{моль}} = 125 : моль

Затем считаем сумму количеств:

Large sum {n} = 107.14 : моль + 31.25 : моль + 125 : моль = 263.39 : моль

И находим мольную долю каждого компонента:

Large y_{N_{2}} = frac {107.14 : моль}{263.39 : моль} = 0.4068, : или : 40.68 %;

Large y_{O_{2}} = frac {31.25 : моль}{263.39 : моль} = 0.1186, : или : 11.86 %;

Large y_{He} = frac {125 : моль}{263.39 : моль} = 0.4746, : или : 47.46 %;

Проверяем:

Large 40.68 % + 11.86 % + 47.46 % = 100%.

И радуемся правильному решению.

Ответ: 40.68%, 11.86% , 47.46%.

Молярность (молярная объёмная концентрация)

А сейчас рассмотрим, вероятно, самый часто встречающийся способ выражения концентрации — молярную концентрацию.

Молярная концентрация (молярность, мольность) — количество вещества (число молей) компонента в единице объёма смеси. Молярная концентрация в системе СИ измеряется в моль/м³, однако на практике её гораздо чаще выражают в моль/л или ммоль/л.

Также иногда говорят просто «молярность», и обозначают буквой М. Это значит, что, например, обозначение «0.5 М раствор соляной кислоты» следует понимать как «полумолярный раствор соляной кислоты», или 0.5 моль/л.

Обозначают молярную концентрацию буквой c (латинская «цэ»), или заключают в квадратные скобки вещество, концентрация которого указывается. Например, [Na⁺] — концентрация катионов натрия в моль/л. Кстати, слово «моль» в обозначениях не склоняют — 5 моль/л, 3 моль/л.

Рассчитывается молярная концентрация по формуле:

Large c_{B} = frac{n_{B}}{V} ; ; ;;; (4)

где Large n_{B} — количество вещества компонента B, моль;

Large V — общий объём смеси, л.

Разберём на примере.

Задача:

В пивную кружку зачем-то насыпали 24 г сахара и до краёв заполнили кипятком. А нам зачем-то нужно найти молярную концентрацию сахарозы в полученном сиропе. И кстати, дело происходило в Британии.

Решение:

Молекулярная масса сахарозы равна 342 (посчитайте, может мы ошиблись — C₁₂H₂₂O₁₁). Найдём количество вещества:

Large n_{сахарозы} = frac{24 : г}{342 : г/моль} = 0.0702 моль

Британская пинта (мера объёма такая) равна 0.568 л. Поэтому молярная концентрация находится так:

Large c_{сахарозы} = frac{0.0702 : моль}{0.568 : л} = 0.1236 моль/л

Ответ: 0.1236 моль/л.

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)

Нормальная концентрация — количество эквивалентов данного вещества в 1 литре смеси. Нормальную концентрацию выражают в моль-экв/л или г-экв/л (имеется в виду моль эквивалентов).

Обозначается нормальная концентрация как с_н, с_N, или даже c(f_eq B). Рассчитывается нормальная концентрация по формуле:

Large c_{N} = z cdot c_{B} = z cdot frac{n_{B}}{V}= frac{1}{f_{eq}} cdot frac {n_{B}}{V} ; ;;;; (5)

где Large n_{B} — количество вещества компонента В, моль;

V — общий объём смеси, л;

z — число эквивалентности (фактор эквивалентности Large f_{eq} = 1/z ).

Значение нормальной концентрации для растворов записывают как «н» или «N», а говорят «нормальность» или «нормальный». Например, раствор с концентрацией 0.25 н — четвертьнормальный раствор.

Разберём на примере.

Задача:

Рассчитать нормальность раствора объёмом 1 л, если в нём содержится 40 г перманганата калия. Раствор приготовили для последующего проведения реакции в нейтральной среде.

Решение:

В нейтральной среде перманганат калия восстанавливается до оксида марганца (IV). При этом в окислительно-восстановительной реакции 1 атом марганца принимает 3 электрона (проверьте на любой окислительно-восстановительной реакции перманганата калия с образованием оксида, расставив степени окисления), что означает, что число эквивалентности будет равно 3. Для расчёта концентрации по формуле (5) выше нам ещё не хватает количества вещества KMnO4. найдём его:

Large n_{KMnO_{4}}=frac{m _{KMnO_{4}}}{M _{KMnO_{4}} } = frac{40 : г}{158 г/моль}= 0.253 моль

Теперь считаем нормальную концентрацию:

Large c_{N_{KMnO_{4}}}= z cdot frac{n_{KMnO_{4}}}{V} = 3 cdot frac{0.253 : моль}{1 : л} = 0.759 моль-экв/л

Ответ: 0.759 моль-экв/л.

Таким образом, заметим важное на практике свойство — нормальная концентрация больше молярной в z раз.

Мы не будем рассматривать в данной статье особо экзотические способы выражения концентраций, о них вы можете почитать в литературе или интернете. Поэтому расскажем ещё об одном способе, и на нём остановимся — массовая концентрация.

Моляльная концентрация

Моляльная концентрация (моляльность, молярная весовая концентрация) — количество растворённого вещества (число моль) в 1000 г растворителя.

Измеряется моляльная концентрация в молях на кг. Как и с молярной концентрацией, иногда говорят «моляльность», то есть раствор с концентрацией 0.25 моль/кг можно назвать четвертьмоляльным.

Находится моляльная концентрация по формуле:

Large m_{B} = frac{n_{B}}{m_{A}}, ;;;;; (6)

где Large n_{B} — количество вещества компонента B, моль;

Large m_{A} — масса растворителя, кг.

Казалось бы, зачем нужна такая единица измерения для выражения концентрации? Так вот, у моляльной концентрации есть одно важное свойство — она не зависит от температуры, в отличие, например, от молярной. Подумайте, почему?

Массовая концентрация

Массовая концентрация — отношение массы растворённого вещества к объёму раствора. По рекомендации ИЮПАК, обозначается символом γ или ρ.

Находится массовая концентрация по формуле:

Large rho_{B}=frac{m_{B}}{V}, ;;;;; (7)

где Large m_{B} — масса растворенного вещества, г;

Large V — общий объём смеси, л.

В системе СИ выражается в кг/м³.

Разберём на примере.

Задача:

Рассчитать массовую концентрацию перманганата калия по условиям предыдущей задачи.

Решение:

Решение будет совсем простым. Считаем:

Large rho_{ KMnO_{4} }=frac{m_{ KMnO_{4} }}{V} =frac{40 : г}{1 : л} = 40 г/л.

Ответ: 40 г/л.

Также в аналитической химии пользуются понятием титра по растворенному веществу. Титр по растворенному веществу находится так же, как и массовая концентрация, но выражается в г/мл. Легко догадаться, что в задаче выше титр будет равен 0.04 г/мл (для этого надо умножить наш ответ на 0.001 мл/л, проверьте). Кстати, обозначается титр буквой Т.

А теперь, как обещали, табличка с формулами перевода одной концентрации в другую.

Таблица перевода одной концентрации в другую.

В таблице слева — ВО ЧТО переводим, сверху — ЧТО. Если стоит знак «=», то, естественно, эти величины равны.

	Массовая доля, large omega, %	Мольная доля, large x , %	Объёмная доля, large phi, %	Молярная концентрация, large c, моль/л	Нормальная концентрация, large c_{N} , моль-экв/л	Моляльная концентрация, large m, моль/кг	Массовая концентрация, large rho, г/л
Массовая доля, large omega, %	=	large omega_{B}=LARGE frac{x_{B} cdot M(B)}{sum x_{i} cdot M_{i}}	Для газов: omega = LARGE frac{phi_{A} cdot M(A)}{sum (M_{i} cdot phi_{i})}	large omega_{B}= LARGE frac{c_{B} cdot M(B)}{rho}	large omega_{B}=LARGE frac{c_{N} cdot M(B)}{rho cdot z}		large omega_{B}= LARGE frac{gamma_{B}}{rho}
Мольная доля, large x , %	large x_{B}=LARGE frac{frac{omega_{B}}{M(B)}}{sum frac{omega_{i}}{M_{i}}}	=				large x_{B}=LARGE frac{m_{B}}{m_{B}+frac{1}{M(A)}}
Объёмная доля, large phi, %	Для газов: large phi_{A}=LARGE frac{frac{omega_{A}}{M(A)}}{sum frac{omega_{i}}{M_{i}}}		=
Молярная концентрация, large c, моль/л	large c_{B}=LARGE frac{rho cdot omega_{B}}{M(B)}			=	large c_{B}=Large frac{c_{N}}{z}
Нормальная концентрация, large c_{N} , моль-экв/л	large c_{N}=LARGE frac{rho cdot omega_{B} cdot z}{M(B)}			large c_{N}=c_{B} cdot z	=
Моляльная концентрация, large m, моль/кг		large m_{B}=Large frac{x_{B}}{M(A)(1-x_{B})}				=
Массовая концентрация, large gamma, г/л	large gamma_{B}=rho cdot omega_{B}						=

Таблица будет пополняться.

Источник

Исходные данные:

а0=5,0% мас; а1=29% мас; а2=96% мас;

М А=78 кмольАкгА ;

М В=112,5	кгВ	;
кмоль В

Цель расчета:

∙Определить мольные концентрации исходной смеси, кубового остатка и дистиллята.

∙Определить молярные массы смесей.

∙Определить средние мольные составы жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны.

∙Определить средние молярные массы жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны.

∙Определить средние массовые составы жидкости и пара (по средним мольным составам) в верхней и нижней частях колонны.

Определение мольных концентраций смесей:

Для перехода от массовых концентраций к мольным можно осуществить на основании следующего соотношения:

		ai
хi=			M A
	ai		1−ai

		M A	M B

Тогда, для кубового остатка:

0,05

х		=		78	=0,0706	кмольА
0	0,05			1−0,05	кмольсм.


			112,5
			78

для исходной смеси:

		0,29			кмольА
х =		78		=0,3707
				кмольсм .
1	0,29		1−0,29
	78		112,5

для дистиллята:

		0,96			кмольА
х =		78			=0,9719
					кмольсм .
2	0,96		1	−0,96
	78		112,5

Определение молярных составов смесей:

Данный расчет производится на основании:

Мi = ai 11−ai M A M B

Тогда, для кубового остатка:

М 0	=		1	=110,07	кгА
0,05		1−0,05	кмольсм .
		78	112,5

для исходной смеси:

М 1=		1		=99,71	кгА
0,29	1−0,29		кмольсм .
78	112,5

для дистиллята:

М 2=			1	=78,97	кгА
0,96		1−0,96	кмольсм.

	78		112,5

Определение средних мольных концентраций жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны:

По диаграмме x-y (рис.1) определяем, что каждому составу жидкости соответствует свой равновесный состав пара. Следовательно, мы можем определить равновесные концентрации паровой фазы смесей:

х0=0,0706 кмольсмкмольА . у0=0,223 кмольсмкмольА . ;

х1=0,3707 кмольсмкмольА . у1=0,704 кмольсмкмольА . ;

х2=0,9719 кмольсмкмольА . у2=0,992 кмольсмкмольА . ;

Средние концентрации жидкости и пара можно рассчитать последующим формулам:

хсрj =	xi 1 xi	;	усрj =	yi 1 yi	.

2		2

Для удобства введем следующую индексацию: все что, относится к верхней (укрепляющей) части колонны мы будем обозначать верхним индексом в , а все, что относится к нижней части колонны (отгонной) – н .

Следовательно, для верхней и нижней частей колонны получим следующие составы жидкости и пара:

х В	=0,9719 0,3707 =0,6713	кмоль А		;
кмоль см.
ср			2
х Н	=0,3707 0,0706 =0,2206	кмоль А		;
кмоль см.
ср			2
В	0,992 0,704				кмоль А
уср	=	2	=0,8480				;
кмоль см.
усрН =0,704 0,223	=0,4635			кмоль А		;
	кмоль см.
			2

Причем, по средним концентрациям можно определить средние температуры для верхней и нижней частей колонны. То есть, по диаграмме t-x,y (рис.2):

х В	=0,6713	кмоль А		tВ=90,7 0	С;
кмоль см.
ср
хсрН =0,2206		кмоль А	t Н =113,2 0 С;
кмоль см.

Определение средних молярных составов жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны:

В данном случае удобнее использовать свойство аддитивности молярных масс, то есть, молярную массу бинарной смеси можно представить как суммарный вклад обоих компонентов. Это означает, что для расчета необходимо использовать соотношение:

Мхj=М А хсрj М В 1− хсрj

Муj =М А усрj М В 1− усрj

Подставляя числовые данные, получим:

М	В=78 0,6713 112,5 1−0,6713 =89,34			кг см .		;
кмоль см .
	х
М Н =78 0,2206 112,5 1−0,2206 =104,89		кг см .				;
	кмоль см .
х
М	В=78 0,8480 112,5 1−0,8480 =83,24			кг см .	;
кмоль см.
	у
М Ну =78 0,4635 112,5 1−0,4635 =96,51			кг см .		;
	кмоль см.

Соседние файлы в папке curs_RECTIFICATION

Источник

Количество и концентрация вещества. Выражение и пересчеты из одних единиц в другие. Концентрации растворов. Массовая и молярная концентрация, Титр, Моляльность, Мольная, массовая, объемная доли. Нормальная (эквивалентная) концентрация, Фактор эквивалентности, Молярная масса эквивалента вещества.

Масса и количество вещества. Массу вещества (m) измеряют в граммах, а количество вещества (n) в молях. Если обозначить вещество буквой Х, то тогда его масса может быть обозначена как m (X), а количество – n (X).

Моль–количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц (молекул, атомов, ионов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода-12.
При использовании термина моль следует указывать частицы, к которым относится этот термин. Соответственно, можно говорить «моль молекул», «моль атомов», «моль ионов» и т.д. (например, моль молекул водорода, моль атомов водорода, моль ионов водорода). Так как 0,012 кг углерода-12 содержит ~ 6,022х10²³атомов углерода (постоянная Авогадро = число Авогадро), то моль– такое количество вещества, которое содержит 6,022х10²³структурных элементов (молекул, атомов, ионов и др.).
- Отношение массы вещества к количеству вещества называют молярной массой.
- M (X) = m (X) / n(X)
- То есть, молярная масса (М) – это масса одного моля вещества. Основной системной (в международной системе единиц СИ) единицей молярной массы является кг/моль, а на практике – г/моль. Например, молярная масса самого легкого металла лития М (Li) = 6,939 г/моль, молярная масса газа метана М (СН₄) = 16,043 г/моль. Молярная масса серной кислоты рассчитывается следующим образом M (Н₂SО₄) = 196 г / 2 моль = 96 г/моль.
- Молярная масса М (Х) — масса одного моля молекул вещества (г/моль). M(X)=m_x/n (X), где m_x – масса вещества, г; n (X) – количество вещества, моль. Молярная масса вещества Х численно равна относительной молекулярной массе M_r (в случае молекул) или относительной атомной массе (в случае атомов).
Любое соединение (вещество), кроме молярной массы, характеризуется относительной молекулярной или атомной массой. Существует и эквивалентная масса Е, равная молекулярной, умноженной на фактор эквивалентности (см. далее).
- Относительная молекулярная масса (M_r) –это молярная масса соединения, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12.
  - Например,М_r(СН₄) = 16,043. Относительная молекулярная масса – величина безразмерная.
- Относительная атомная масса (A_r) –это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12.
  - Например, A_r(Li) = 6,039.

Концентрация. Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы называют концентрацией. Известно несколько способов выражения концентрации. В России чаще всего концентрацию обозначают заглавной буквой С, имея в виду прежде всего массовую концентрацию, которая по праву считается наиболее часто применяемой в экологическом мониторинге форма выражения концентрации (именно в ней измеряют величины ПДК).

Массовая концентрация (С или β) –отношение массы компонента, содержащегося в системе (растворе), к объему этой системы (V). Это самая распространенная у российских аналитиков форма выражения концентрации.
- β(Х) =m (X) / V(смеси)
Единица измерения массовой концентрации – кг/м³или г/м³, кг/дм³или г/дм³(г/л), кг/см³, или г/см³(г/мл), мкг/л или мкг/мл и т.д. Арифметические пересчеты из одних размерностей в другие не представляет большой сложности, но требуют внимательности. Например, массовая концентрация хлористоводородной (соляной) кислотыС(HCl) = 40 г / 1 л = 40 г/л = 0,04 г/мл = 4·10^–⁵мкг/л и т.д. Обозначение массовой концентрации С нельзя путать с обозначением мольной концентрации (с), которая рассматривается далее.
Типичными являются соотношения β(Х): 1000 мкг/л = 1 мкг/мл = 0,001 мг/мл.
Массовая концентрация – это отношение массы к объему системы !!!! а отношение массы к массе это – массовая доля 🙂

Титр (Т) В объемном анализе (титриметрии) употребляется одна из форм массовой концентрации – титр. Титр раствора (Т) –это масса вещества, содержащегося в одном кубическом сантиметре = в одном миллилитре раствора.

Единицы измерения титра — кг/см³, г/см³, г/мл и др.

Моляльность (b) –отношение количества растворенного вещества (в молях) к массе растворителя (в кг).

b(Х) = n(X) / m (растворителя) = n(X) / m (R)
Единица измерения моляльности —моль/кг. Например,b (HCl/H₂O) = 2 моль/кг. Моляльная концентрация применяется в основном для концентрированных растворов.

Мольная (! )доля (х) –отношение количества вещества данного компонента (в молях), содержащегося в системе, к общему количеству вещества (в молях).

х(Х) =n(X) / n(X) + n(Y)
Мольнаядоля может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле (тысячная часть %) и в миллионных (млн^–1,ppm), миллиардных (млрд^–1,ppb), триллионных (трлн^–1,ppt) и др. долях, но единицей измерения все равно является отношение –моль/моль. Например,х(С₂Н₆) = 2 моль / 2 моль + 3 моль = 0,4 (40 %).

Массовая доля (ω) –отношение массы данного компонента, содержащегося в системе, к общей массе этой системы.

ω (Х) = m(X) / m(смеси)
Массовая доля измеряется в отношениях кг/кг (г/г). При этом она может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле, миллионных, миллиардных и т.д. долях. Массовая доля данного компонента, выраженная в процентах, показывает, сколько граммов данного компонента содержится в 100 г раствора.
- Например, условно ω (KCl) = 12 г / 12 г + 28 г = 0,3 (30%).

Объемная доля (φ) –отношение объема компонента, содержащегося в системе, к общему объему системы.

φ (Х)=v(X) /v(X)+v(Y)
Объемная доля измеряется в отношениях л/л или мл/мл и тоже может быть выражена в долях единицы, процентах, промилле, миллионных и т.д. долях. Например, объемная доля кислорода газовой смеси составляет φ (О₂)=0,15 л / 0,15 л + 0,56 л.

Молярная (мольная) концентрация (с) –отношение количества вещества (в молях), содержащегося в системе (например, в растворе), к объему V этой системы.

с(Х) = n(X)/ V(смеси)
Единица измерения молярной концентрации моль/м³(дольная производная, СИ – моль/л).
- Например,c (H₂S0₄) = 1 моль/л,с(КОН) = 0,5 моль/л.
Раствор, имеющий концентрацию 1 моль/л, называют молярным раствором и обозначают как 1 М раствор (не надо путать эту букву М, стоящую после цифры, с ранее указанным обозначением молярной массы, т.е. количества вещества М). Соответственно раствор, имеющий концентрацию 0,5 моль/л, обозначают 0,5 М (полумолярный р-р); 0,1 моль/л – 0,1 М (децимолярный р.р); 0,01 моль/л – 0,01 М (сантимолярный р-р) и т.д.
Эта форма выражения концентрации также очень часто применяется в аналитике.

Нормальная (эквивалентная) концентрация (N), молярная концентрация эквивалента(С_экв.)– это отношение количества вещества эквивалента в растворе (моль) к объему этого раствора (л).

N = С_экв (Х) = n (1/Z X) / V (смеси)
Количество вещества (в молях), в котором реагирующими частицами являются эквиваленты, называется количеством вещества эквивалента n_э (1/Z X) = n_э (Х).
Единица измерения нормальной концентрации («нормальности») тоже моль/л (дольная производная, СИ).
- Например, С_экв.(1/3 АlCl₃) = 1 моль/л.
Раствор, в одном литре которого содержится 1 моль вещества эквивалентов, называют нормальным и обозначают 1 н. Соответственно могут быть 0,5 н («пятидецинормальный»); 0,01 н (сантинормальный») и т.п. растворы.
Следует отметить, что понятие эквивалентностиреагирующих веществ в химических реакциях является одним из базовых для аналитической химии. Именно на эквивалентности как правило основаны вычисления результатов химического анализа (особенно в титриметрии). Рассмотрим несколько связанных с этим базовых с т.з. теории аналитики понятий.

Фактор эквивалентности (f_экв)– число, обозначающее, какая доля реальной частицы веществ Х (например, молекулы вещества X) эквивалентна одному иону водорода (в данной кислотно-основной реакции) или одному электрону (в данной окислительно-восстановнтельной реакции) Фактор эквивалентности f_экв(Х) рассчитывают на основании стехиометрии (соотношении участвующих частиц) в конкретном химическом процессе:

f_экв(Х) = 1/Z_x
где Z_x.— число замещенных или присоединенных ионов водорода (для кислотно-основных реакций) или число отданных или принятых электронов (для окислительно-восстановительных реакций);
Х — химическая формула вещества.
Фактор эквивалентности всегда равен или меньше единицы. Будучи умноженным на относительную молекулярную массу, он дает значение эквивалентной массы (Е).
- Для реакции:
  - H₂SО₄+ 2 NaOH = Na₂SО₄+ 2 H₂
    - f_экв(H₂SО₄) = 1/2,f_экв(NaOH) = 1
    - f_экв(H₂SО₄) = 1/2, т.е. это означает, что ½ молекулы серной кислоты дает для данной реакции 1 ион водорода (Н⁺), а соответственноf_экв(NaOH) = 1 означает, что одна молекулаNaOHсоединяется в данной реакции с одним ионом водорода.
- Для реакции:
  - 10 FeSО₄+ 2 KMnО₄+ 8 H₂SО₄ = 5 Fe₂(SО₄)₃ + 2 MnSО₄ + K₂SО₄+ 8 H₂О
  - 2МпО₄^–+ 8Н⁺+5е^–→ Мп²⁺– 2e^–+ 4 Н₂О
  - 5 Fe²⁺ – 2e^– → Fe³⁺
    - f_экв(KMnО₄) = 1/5 (кислая среда), т.е. 1/5 молекулы KMnО₄в данной реакции эквивалентна 1 электрону. При этом f_экв(Fe²⁺) = 1, т.е. один ион железа (II) также эквивалентен 1 электрону.

Эквивалент вещества Х –реальная или условная частица, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному нону водорода или в данной окислительно-восстановительной реакции – одному электрону.

Форма записи эквивалента: f_экв(Х) Х (см. табл.), или упрощенно Э_х, где Х –химическая формула вещества, т.е. [Э_х=f_экв(Х) Х]. Эквивалент безразмерен.
Эквивалент кислоты(или основания) – такая условная частица данного вещества, которая в данной реакции титрования высвобождает один ион водорода или соединяется с ним, или каким-либо другим образом эквивалентна ему.
Например, для первой из вышеуказанных реакций эквивалент серной кислоты — это условная частица вида ½ H₂SО₄ т.е. f_экв(H₂SО₄) = 1/Z=½; ЭH₂SО₄ = ½ H₂SО₄.
Эквивалент окисляющегося(или восстанавливающегося)вещества— это такая условная частица данного вещества, которая в данной химической реакции может присоединять один электрон или высвобождать его, или быть каким-либо другим образом эквивалентна этому одному электрону.
Например, при окислении перманганатом в кислой среде эквивалент марганцевокислого калия – это условная частица вида 1/5 КМпО₄, т.е. ЭКМпО₄=1/5КМпО₄.
Так как эквивалент вещества может меняться в зависимости от реакции, в которой это вещество участвует, необходимо указывать соответствующую реакцию.
- Например, для реакции Н₃РО₄+NaOH=NaH₂PО₄+H₂O
  - эквивалент фосфорной кислоты Э Н₃РО₄ == 1 Н₃РО₄.
- Для реакции Н₃РО₄+ 2NaOH=Na₂HPО₄+ 2H₂O
  - ее эквивалент Э Н₃РО₄ == ½ Н₃РО₄,.
Принимая во внимание, что понятие моля позволяет пользоваться любыми видами условных частиц, можно дать понятиемолярной массы эквивалента вещества X. Напомним, что моль– это количество вещества, содержащее столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода¹²С (6,02 10²³). Под реальными частицами следует понимать атомы, ионы, молекулы, электроны и т.п., а под условными – такие как, например, 1/5 молекулы КМпО₄в случае О/В реакции в кислой среде или ½ молекулы H₂SО₄в реакции с гидроксидом натрия.

Молярная масса эквивалента вещества – масса одного моля эквивалентов этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности f_экв(Х) на молярную массу вещества М (Х)^¹.

Молярную массу эквивалента обозначают как М [f_экв(Х) Х] или с учетом равенства Э_х= f_экв(Х) Х ее обозначают М [Э_х]:
М (Э_х)= f_экв(Х) М (Х); М [Э_х] = М (Х) /Z
Например, молярная масса эквивалента КМпО₄
М (ЭКМпО₄)=1/5КМпО₄ = М 1/5 КМпО₄ = 31,6 г/моль.
Это означает, что масса одного моля условных частиц вида 1/5КМпО₄ составляет 31,6 г/моль. По аналогии молярная масса эквивалента серной кислоты М ½ H₂SО₄= 49 г/моль; фосфорной кислоты М ½ H₃ РО₄= 49 г/моль и т.д.
В соответствии с требованиями Международной системы (СИ) именно молярная концентрацияя вляется основным способом выражения концентрации растворов, но как уже отмечалось, на практике чаще применяетсямассовая концентрация.
Рассмотрим основные формулы и соотношения между способами выражения концентрации растворов (см. табл. 1 и 2).

Таблица 1 Основные способы выражения концентрации растворов

Термин концентрации (см. выше)	Единица измерения концентрации	Тип единицы концентрации	Формула, виды записи, примеры
1. Массовая концентрация (С или β)	кг/м³	Производная (СИ)	С (Х) = β(Х/V)* С (Х) = β(Х/V) =m_x/V(Х+Y) С Н₂SO₄ = 0,2 кг/л или 200 г/л Н₂SO₄
кг/дм³	Дольная производная (СИ)
кг/л	Производная (внесистемная)
2. Титр раствора (Т)	г/см³	Дольная, производная (СИ)	Т(Х) Т(Х) = m_x/V= C (Эх)·M(Эх)/1000 Т (НCl) = 0,2012 г/мл
г/мл	Дольная, производная (внесистемная)
3. Титр раствора А по определяемому компоненту* Х*	г/см³	Дольная, производная (СИ)	Т (А/Х) Т (А/Х) = с(Э_А) ·M(Эх)/1000
г/мл	Дольная, производная (внесистемная)
4. Молярная концентрация, молярность(с)	моль/м³	Производная (СИ)	с (Х)* с (Х) = (n) Х/V=m_x/M(X)V. с Н₂SO₄ = 0,2 моль/л или 0,2 М Н₂SO₄
моль/дм³	Дольная производная (СИ)
моль/л	Производная (внесистемная)
5. Молярная концентрация эквивалента (N), нормальность	моль/дм³	Производная (СИ)	С [fэкв (Х)Х] или с (Эх) илиN C (Эх) = n(Эх)/V=m_x/M(Эх)V=N или C (Эх) = с (Х)/ fэкв (Х) = с (Х) ·Z_x=N N= С (1/5 КМпО₄) = 0,02 моль/л (кислая среда) или 0,02 н. КМп04
моль/л	Производная (внесистемная)
6. Моляльная концентрация, моляльность* (b)*	моль/кг	Производная (СИ)	b(Х/R) = n (X) / m (растворителя)
Термин концентрации (см. выше)	Единица измерения концентрации	Тип единицы концентрации	Формула, виды записи, примеры
7. Мольная доля(х)	Относительная = моль/моль. (или в %, или в млн^–1,ppm, в млрд^–1,ppb, трлн^–1,pptили в др. ед.	Безразмерная = 1 моль/моль = 1 = 100% = 10⁶млн^-1= 10⁹млрд^-1= 10¹²трлн^-1	х % (Х) = х (Х/Х+ Y) х % (Х) = n (X) / n (X) + n (Y) Если в 1 моле раствора содержится 0,20 моля NaOH, то: мольная доля NaOH в этом растворе х % (NaOH): =0,2/1 = 0,2 или 20%, или 2·10⁵млн^-1, или 2·10⁸млрд^-1, или др.
8. Массовая доля* (ω)*	Относительная = кг / кг. (или в %, или в млн^–1,ppm, в млрд^–1,ppb, трлн^–1,ppt или в др. ед.	Безразмерная = 1 кг/кг =1 г/г= 1 = 100% = 10⁶млн^-1= 10⁹млрд^-1= 10¹²трлн^-1	ω % (Х) = m_x/m_р-ра100 =m_x/m_р-рит.+m_x Если в 100 г раствора содержится 20 г NaOH,то: массовая доля NaOH в этом растворе ω%(NaOH) =20 г/(80 г+0 г)= = 0,2 или 20% (масс.) или 2 ·10^-1= = 2 ·10⁸млрд^-1или 2 ·10¹¹трлн^-1, или др. ед.
9. Объемная доля (φ)	Относительная = м³/м³(илил/л, илимл/мл, или в %, или в млн^–1,ppm, в млрд^–1,ppb, или в др. ед.	Безразмерная = 1 кг/кг =1 г/г= 1 = 100% = 10⁶млн^-1= 10⁹млрд^-1= 10¹²трлн^-1	φ (Х), %=v(X) /v(X)+v(Y) Если в 100 мл раствора содержится 20 мл спирта, объемная доля в этом в этом растворе: φ % (спирта) =20/100 = 0,2 или 20% (об..) = 2·10² промилле, или 2 ·10⁸млрд^-1, или 2·10¹¹трлн^-1или др. ед.

* В расчетных уравнениях химическую формулу обычно ставят в индексе.

Пересчеты из одной формы выражения концентрации в другую являются достаточно простыми арифметическими задачами, с решениями которых аналитику приходится сталкиваться очень часто – при приготовлении аналитических растворов, при пробоотборе и пробоподготовке, при смешении пробы с аналитическими растворами, а также при статистической обработке и представлении получившихся результатов в цифровой и графической форме. Рассмотрим формулы для пересчета шести наиболее часто применяемых форм выражения концентраций (см. табл. 2).

Таблица 2 Формулы перехода от одних выражений концентраций растворов к другим (процентная, в граммах на грамм растворителя, в граммах на грамм раствора, нормальная, молярная, моляльная) ⁶

Обозначения:
- d-плотность раствора,
- W- молекулярный вес (масса) растворенного вещества,
- E- грамм-эквивалентный вес растворенного вещества

Коровин Н.В., Мингулина Э.И., Рыжова Н.Г.Лабораторные работы по химии.Учеб. пособие для техн. направ. и спец. вузов. /Под ред. Н.В. Коровина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1998. – с. 21–39.
Жарский И.М., Кузьменко А.Л., Орехова С.Е.Лабораторный практикум по общей и неорганической химии./Под ред. Г.И. Новикова. – Мн.: Дизайн ПРО, 1998. – с. 3-27 и 46-56.
Попадич И.А., Траубенберг С.Е, Осташенкова Н.В. и др.. Аналитическая химия.Учебное пособие для техникумов. М.: Химия, 1989. – с. 91-98.
Зайцев О.С.Исследовательский практикум по общей химии.Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 1994. – с. 91-98.
Лурье Ю.Ю.Справочник по аналитической химии.Справ. Изд. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Химия, 1989. – с. 172-173.

Источник

…

Существует множество способов измерить концентрацию раствора. Это так называемые способы выражения концентрации раствора.

Концентрация раствора — это количество вещества, находящегося в единице объема или массы раствора.

Что такое раствор

Среди окружающих нас веществ, лишь немногие представляют собой чистые вещества. Большинство являются смесями, состоящими из нескольких компонентов, которые могут находиться в одном или различных фазовых состояниях.

Смеси, имеющие однородный состав являются гомогенными, неоднородный состав – гетерогенными.

Иначе, гомогенные смеси, называют растворами, в которых одно вещество полностью растворяется в другом (растворителе). Растворитель – это тот компонент раствора, который при образовании раствора сохраняет свое фазовое состояние. Он обычно находится в наибольшем количестве.

Существуют растворы газовые, жидкие и твердые. Но более всего распространены жидкие растворы, поэтому, в данном разделе, именно на них мы сосредоточим свое внимание.

Концентрацию раствора можно охарактеризовать как:

качественную
количественную.

Качественная концентрация характеризуется такими понятиями, как разбавленный и концентрированный раствор.
С этой точки зрения растворы можно классифицировать на:

Насыщенные – растворы с максимально возможным количеством растворенного вещества. Количество растворяемого вещества, необходимое для получения насыщенного раствора определяет растворимость этого вещества.
Ненасыщенные – любые растворы, которые все еще могут растворять введенное вещество.
Пересыщенные – растворы, в которых растворено больше вещества, чем максимально возможное. Такие растворы очень нестабильны и в определенных условиях растворенное вещество будет выкристаллизовываться из него, до тех пор, пока не образуется насыщенный раствор.

Количественная концентрация выражается через молярную, нормальную (молярную концентрацию эквивалента), процентную, моляльную концентрации, титр и мольную долю.

Способы выражения концентрации растворов

Молярная концентрация растворов (молярность)

Наиболее распространенный способ выражения концентрации растворов – молярная концентрация или молярность. Она определяется как количество молей n растворенного вещества в одном литре раствора V. Единица измерения молярной концентрации моль/л или моль ·л^-1:

С_м = n/V

Раствор называют молярным или одномолярным, если в 1 литре раствора растворено 1 моль вещества, децимолярным – растворено 0,1 моля вещества, сантимолярным — растворено 0,01 моля вещества, миллимолярным — растворено 0,001 моля вещества.

Термин «молярная концентрация» распространяется на любой вид частиц.

Вместо обозначения единицы измерения — моль/л, возможно такое ее обозначение – М, например, 0,2 М HCl.

Молярная концентрация эквивалента или нормальная концентрация растворов (нормальность).

Понятие эквивалентности мы уже вводили. Напомним, что эквивалент – это условная частица, которая равноценна по химическому действию одному иону водорода в кислотоно-основных реакциях или одному электрону в окислительно – восстановительных реакциях.

Например, эквивалент KMnO₄в окислительно – восстановительной реакции в кислой среде равен 1/5 (KMnO₄).

Еще одно необходимое понятие — фактор эквивалентности – это число, обозначающее, какая доля условной частицы реагирует с 1 ионом водорода в данной кислотоно-основной реакции или с одним электроном в данной окислительно – восстановительной реакции.

Он может быть равен 1 или быть меньше 1. Фактор эквивалентности, например, для KMnO₄в окислительно – восстановительной реакции в кислой среде составляет f_экв(KMnO₄) = 1/5.

Следующее понятие – молярная масса эквивалента вещества х. Это масса 1 моля эквивалента этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества х:

М_э = f_экв· М(х)

Молярная концентрация эквивалента (нормальность) определяется числом молярных масс эквивалентов на 1 литр раствора.

Эквивалент определяется в соответствии с типом рассматриваемой реакции. Единица измерения нормальной концентрации такая же как и у молярной концентрации — моль/л или моль·л^-1

С_н = n_э/V

Для обозначения нормальной концентрации допускается сокращение «н» вместо «моль/л».

Процентная концентрация раствора или массовая доля

Массовая концентрация показывает сколько единиц массы растворенного вещества содержится в 100 единицах массы раствора.

Это отношение массы m(х) вещества x к общей массе m раствора или смеси веществ:

ω(х) = m(х)/m

Массовую долю выражают в долях от единицы или процентах.

Моляльная концентрация раствора

Моляльная концентрация раствора b(x) показывает количество молей n растворенного вещества х в 1 кг. растворителя m. Единица измерения моляльной концентрации — моль/кг :

b(x) = n(x)/m

Титр раствора

Титр раствора показывает массу растворенного вещества х, содержащуюся в 1 мл. раствора. Единица измерения титра — г/мл:

Т(х) = m(х)/V,

Мольная или молярная доля

Мольная или молярная доля α(х) вещества х в растворе равна отношению количества данного вещества n(х) к общему количеству всех веществ, содержащихся в растворе Σn:

α(х) = n(х)/Σn

Между приведенными способами выражения концентраций существует взаимосвязь, которая позволяет, зная одну единицу измерения концентрации найти (пересчитать) ее в другие единицы. Существуют формулы, позволяющие провести такой пересчет, которые, в случае необходимости, вы сможете найти в сети. В разделе задач показано, как произвести такой пересчет, не зная формул.

Пример перевода процентной концентрации в молярную, нормальную концентрацию, моляльность, титр

Дан раствор объемом 2 л с массовой долей FeSO₄2% и плотностью 1029 кг/м³. Определить молярность, нормальность, моляльность и титр этого раствора раствора.

Решение.

1. Рассчитать молярную массу FeSO₄:

M (FeSO₄) =
56+32+16·4 = 152 г/моль

2. Рассчитать молярную массу эквивалента:

М_э = f_экв·
М(FeSO₄) = 1/2·152
= 76 г/моль

3. Найдем m раствора объемом 2 л

m = V·ρ = 2·10^-3 ·1029
= 2,06 кг

4. Найдем массу 2 % раствора по формуле:

m(FeSO₄) = ω(FeSO₄) · m_р-ра

m(FeSO₄) =
0,02·2,06 = 0,0412 кг = 41,2 г

5. Найдем молярность, которая определяется как количество молей растворенного вещества в одном литре раствора:

n = m/М

n = 41,2/152 = 0,27 моль

С_м = n/V

С_м = 0,27/2 = 0,135 моль/л

6. Найдем нормальность:

n_э = m/М_э

n_э = 41,2/76 = 0,54 моль

С_н = n_э/V

С_н = 0,54/2 = 0,27 моль/л

7. Найдем моляльность раствора. Моляльная концентрация равна:

b (x) = n(x)/m

Масса растворителя, т.е.
воды в растворе равна:

m_H2O= 2,06-0,0412
= 2,02 кг

b
(FeSO₄) = n(FeSO₄)/m = 0,27/2,02 = 0,13 моль/кг

8. Найдем титр раствора, который показывает какая масса вещества содержится в 1 мл раствора:

Т(х) = m (х)/V

Т(FeSO₄) = m (FeSO₄)/V = 41,2/2000 = 0,0021 г/мл

Еще больше задач приведены в разделе Задачи: Концентрация растворов, Правило креста

Источник

Массовая доля[править | править код]

Объёмная доля[править | править код]

Молярность (молярная объёмная концентрация)[править | править код]

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)[править | править код]

Мольная (молярная) доля[править | править код]

Моляльность (молярная весовая концентрация, моляльная концентрация)[править | править код]

Массовая концентрация (Титр)[править | править код]

Концентрация частиц[править | править код]

Весообъёмные (массо-объёмные) проценты[править | править код]

Другие способы выражения концентрации[править | править код]

Применимость способов выражения концентрации растворов, их свойства[править | править код]

Формулы перехода от одних выражений концентраций к другим[править | править код]

От молярности к нормальности[править | править код]

От молярности к титру[править | править код]

От массовой доли к молярности[править | править код]

От массовой доли к титру[править | править код]

От моляльности к молярности[править | править код]

От моляльности к мольной доле[править | править код]

Сводная таблица[править | править код]

Примечания[править | править код]

Массовая доля

Задача:

Решение:

Задача:

Решение:

Объёмная доля

Задача:

Решение:

Задача:

Решение:

Мольная доля

Задача:

Решение:

Молярность (молярная объёмная концентрация)

Задача:

Решение:

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)

Задача:

Решение:

Моляльная концентрация

Массовая концентрация

Задача:

Решение:

Таблица перевода одной концентрации в другую.

Определение мольных концентраций смесей:

Определение молярных составов смесей:

Определение средних мольных концентраций жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны:

Определение средних молярных составов жидкости и пара в верхней и нижней частях колонны:

Что такое раствор

Способы выражения концентрации растворов

Молярная концентрация растворов (молярность)

Молярная концентрация эквивалента или нормальная концентрация растворов (нормальность).

Процентная концентрация раствора или массовая доля

Моляльная концентрация раствора

Титр раствора

Мольная или молярная доля

Пример перевода процентной концентрации в молярную, нормальную концентрацию, моляльность, титр

Вам также может понравиться

Как по графику найти амплитуду колебания период

Как найти 500 рублей срочно

Как составить инфо для работы

Добавить комментарий Отменить ответ