Способы выражения состава растворов

Для количественного выражения состава раствора в химии чаще всего применяют следующие физические величины: массовую w (%) и молярную долю N вещества в растворе, молярную концентра­цию с_м, нормальную концентрацию с_н, титр Т и моляльность с_Мл раствора. Состав раствора можно также выразить через его плот­ность ῤ.

1. Массовая доля вещества в растворе w (%) показывает, сколько процентов масса растворенного вещества составляет от массы раствора:

где m₁— масса растворенного вещества,

т₂ — масса раствора.

2. Молярная доля N — отношение количества растворенного веще­ства n₁ или растворителя n₂ к сумме количеств всех веществ, составляющих раствор. Если одно вещество растворено в другом, то молярная доля растворенного вещества:

а молярная доля растворителя

3. Выражение состава раствора через его плотность ῤ основано на том, что с изменением содержания растворенного вещества в данной массе или объеме раствора плотность также изме­няется.

Длябыстрого, но приближенного определения плотности жид­кости служит ареометр. Он представляет собой поплавок с дробью или ртутью и узким отростком — трубкой, в которой на­ходится шкала с делениями. Ареометр погружается в различных жидкостях на различную глубину. При этом он вытесняет объемы этих жидкостей одной и той же массы, равной массе ареометра, а, следовательно, обратно пропорциональные их плотности.

То деление шкалы, до которого ареометр погружается в жид­кость, показывает плотность этой жидкости. В зависимости от за­данной точности применяют или один ареометр с большими интер­валами на шкале, или набор нескольких ареометров с мелкими делениями.

Ареометры, применяемые для определения плотности жидкостей тяжелее воды, имеют нуль вверху шкалы, а для жидкостей легче воды — внизу шкалы.

От плотности раствора можно перейти к его составу, пользу­ясь специальными таблицами. Если в таблицах нет величины, точно отвечающей сделанному отсчету на шкале арео­метра, а есть близкие величины (немного больше или немного мень­ше), то w (%) вычисляют методом интерполяции (определение промежуточной величины по двум известным крайним).

Предположим, что для раствора серной кислоты экспериментально определена плотность 1,200 г/см³. По таблице зависимости плотности раствора серной кислоты от его w находим, что плотности 1,174 и 1,205 г/см³ соответст­вуют 24%-ному и 28%-ному растворам. Считаем, что в этих интервалах w (%) изменяется прямо пропор­ционально изменению плотности раствора. Увеличение плотности на (1,205—1,174) = 0,031 г/см³ соответст­вует изменению w (%) на (28 —24) = 04%. Разница между плотностью данного раствора и меньшей таб­личной величиной составляет 1,200—1,174 = 0,026 г/см³. На основании пропорции

находим х = 3,35%.

Таким образом, w (%) заданного раствора составляет 24% + 3,35% =27,35%.

Плотность не всегда изменяется прямо пропорционально изме­нению состава раствора. Поэтому приведенный расчет дает резуль­тат лишь приблизительный, но для практических целей достаточно точный.

4. Моляльную концентрацию раствора (с_Мл) выражают числом молей растворен­ного вещества, приходящихся на 1000 г растворителя, т. е. количеством вещества п на 1000 г растворителя:

, или , или ,

где m₁ — масса растворителя, г;

m₂ — масса раствора, г;

m₃ — масса растворенного вещества, г;

п — количество вещества растворенного, моль;

М — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Растворы, для которых с_Мл = 1; 2; 0,1; 0,01 моль/1000 г назы­ваются соответственно одно-, двух-, деци- и сантимоляльным и.

5. Молярную концентрацию с_м выражают числом молей раство­ренного вещества в 1 л раствора.

Раствор, в 1 л которого содержится 1 моль растворенного вещества, называют одномолярным или молярным и обознача­ют 1 М. Если в 1 л раствора содержится 0,1 моль растворенно­го вещества, то его называют децимолярным и обозначают 0,1 М и т. д.

,

где n — количество растворенного вещества, моль, или

,

где m — масса растворенного вещества, г; М — его молярная масса, г/моль; V — объем раствора, л.

6. Нормальную концентрацию раствора (С_н.) выражают числом молей-эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора.

Раствор, в 1 л которого содержится один моль-эквивалент растворенного вещества, называют однонормальным или нормаль­ным и обозначают 1 н. Растворы, в 1 л которых содержится 0,1; 0,01 и 0,001 моль-эквивалентов, называют соответственно деци-нормальным (0,1 н.), сантинормальным (0,01 н.) и миллинормальным (0,001 н.).

, или ,

где m — масса растворенного вещества, г;

М_э — его молярная масса эквивалента, г/моль-экв;

n_э — число моль-эквивалентов растворенного вещества, моль-экв;

V — объем раствора, л.

Сравнение формул для определения молярной и нормальной концентраций

, и

показывает, что в случае, когда молярная масса вещества численно равна его молярной массе эквивалента, молярная и нормальная концентрации раствора имеют одну и ту же величину. Это относится, например, к растворам одноосновных кислот (HCI, HNO₃ и т. д.), однокислотных оснований (NaOH, КОН и т. д.), солей, катион и анион которых однозаряд­ные (КС1, NaNO₂ и т. д.). Следовательно, если мы имеем для таких веществ, например, 1 М, 0,1 М и 0,5 М растворы, то можно сказать, что нормальные концентрации этих растворов, соответственно, 1н., 0,1н. и 0,5н.

Если же молярная масса вещества численно не равна его молярной массе эквивалента, то молярная концентрация его раствора во столько раз меньше нормальной, во сколько раз М_э этого вещества меньше его М. Например, одномолярный раствор H₂SO₄ (Э = 1/2 моль) является двунормальным, а 0,5 М раствор А1С1₃ (Э = 1/3 моль) является 1,5 н.; 2 н. раствор Ca(NО₃)₂ (Э=1/2 моль) является одномолярным.