Способы выражения концентраций и составов газообразных, жидких и твердых растворов и их смесей

Исходными реагентами, а также конечными продуктами могут быть вещества, находящиеся в твердом, жидком и газообразном состояниях. На практике используют различные способы выражения концентраций и составов, а также переход от одних единиц, характеризующих состав, к другим.

Для газообразных веществ масса их смеси определяется по формуле

(1)

где 22,4 – объем (л или м³), который занимает 1 моль (кмоль) газа при нормальных условиях (Т = 273 K, Р = 101,3 кПа); V ₁, V ₂, …, V_i - объемы газообразных компонентов, л или м³; М₁, М₂, …, М _i - молярные массы газообразных компонентов, г/моль или кг/кмоль.

Средняя молярная масса газовой смеси (при аддитавности ее свойств) равна

М_смеси = (V ₁ × М₁ + V ₂ × М₂ + … + V_i × М _i) / (V ₁ + V ₂ + … + Vi). (2)

Концентрацию компонентов газовых смесей выражают чаще всего в объемных долях (V_i / V _смеси) или объемных процентах (V_i × 100 / V _смеси). Объемная доля численно совпадает с молярной долей данного компонента.

Зависимость между давлением P, объемом V и температурой Т (K) вещества в газообразном состоянии определяется уравнением состояния газа (уравнением Менделеева – Клапейрона)

PV = n R T = (m / M) × R T, (3)

где n – химическое количество газа; М – молярная масса газа; R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль · K).

Если газ находится при одних условиях (Р, Т) и необходимо определить его объем при других условиях (Р ₁, Т ₁) или массу, то используют следующие формулы:

1) для расчета объема

; (4)

2) для расчета массы

(5)

где V _н.у. – объем газа, приведенный к нормальным условиям; V – объем газа при заданных условиях.

Раствор – однородная система переменного состава, содержащая два и большее число компонентов. Компонент, взятый в избытке и в том же агрегатном состоянии, что и сам раствор, принято считать растворителем, а компонент, взятый в недостатке, – растворенным веществом.

В жидком состоянии реагенты и продукты чаще всего находятся в виде растворов.

Для растворов необходимо знать их количественный состав, который может выражаться следующими способами:

- массовая доля растворенного вещества А (w(А));

- молярная концентрация С (А), моль/л.

- молярная концентрация эквивалента С (1/ z (А)), моль-экв/л.

- молярная доля растворенного вещества N (А).

Массовая доля растворенного вещества w(А) – это величина, равная отношению массы вещества m _А к массе раствора m _р-ра.

w(А) = m _А / m _р-ра, (6)

где m _р-ра = m _А + m _{растворителя}.

Массовую долю выражают в долях единицы или в процентах.

Молярная концентрация равна отношению химического количества растворенного вещества (n (А), моль) к объему раствора (V, л).

С (А) = n (А) / V. (7)

Химическое количество вещества выражается соотношением

n (А) = m (А) / М(А), (8)

где m (А) – масса вещества А, г, кг; М(А) – молярная масса вещества А, г/моль, кг/кмоль.

Если известна масса m и плотность r раствора, то его объем V рассчитывается по формуле

V = m _р-ра / r. (9)

Молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация) С (1/ z (А)) равна отношению химического количества вещества эквивалента (n _экв(А), моль) к объему раствора (V, л).

С (1/ z (А)) = n _экв(А) / V. (10)

Химическое количество вещества эквивалента выражается соотношением

n _экв(А) = m (А) / М(1/ z (А)). (11)

Молярная доля растворенного вещества N (А) - это величина, равная отношению химического количества растворенного вещества к общему числу моль всех веществ в растворе.

N (А) = n (А) / å n_i. (12)

Молярная доля выражается в долях единицы или в процентах (моль %).

Расчеты при разбавлении и смешении двух растворов удобно производить с помощью так называемого правила креста, наглядное представление о котором дает приведенная ниже схема:

С ₁ (С - С ₂)

С

С ₂ (С ₁ - С)

В точке С пересечения прямых записывают содержание вещества в смешанном растворе С (%). Содержание веществ в исходных смешиваемых растворах С ₁ и С ₂ (%) указывают с левой стороны креста, причем С ₁ > С ₂. Разность С ₁ - С соответствует количеству массовых частей С ₂%-ного раствора, необходимого для смешения с С - С ₂ частями С ₁%-ного разбавляемого раствора. При разбавлении раствора водой С ₂ = 0.

В химической промышленности широкое распространение получили процессы с использованием твердых веществ. Их состав чаще всего выражается:

1) в массовых долях (m_i / m _смеси) или массовых процентах (m _i · 100 / m _смеси);

2) в молярных долях (рассчитывается по формуле (12)).