Способы выражения количественного состава растворов

Большинство аналитических реакций проходит в растворах. Растворы представляют собой сложные многокомпонентные системы, в состав которых входит растворенное вещество, растворитель и продукты взаимодействия между ними. Реактивы, используемые для приготовления растворов, не должны содержать примеси в количествах, которые могут повлиять на результат анализа. Все реактивы классифицируют по степени чистоты В аналитической химии для приготовления растворов используют реактивы с маркой “чда”, “хч”, “ос. ч.”.

Выполнение качественного и количественного анализа возможно лишь при использовании растворов определенного количественного состава. Существует несколько способов выражения состава растворов (смесей).

К о н ц е н т р а ц и ю используют для выражения состава в тех случаях, когда содержание вещества относят к объему в котором он находится.

М о л я р н а я к о н ц е н т р а ц и я (концентрация количества вещества) С_(А) является отношением n_(А) вещества (элементарных объектов) к объему раствора (смеси). Так как количество вещества равно отношению массы m_(А) к молярной массе М (А) вещества:

(1)

то молярную концентрацию можно вычислить по формуле:

(2)

Единица измерения – моль/м³, однако на практике чаще всего применяют дольную единицу моль/дм³ (моль/л). Эту единицу можно обозначать также буквой М, но ее следует писать перед формулой растворенного вещества. Например, если С_(HCl) = 2 моль/дм³, то это можно записать также в виде 2М_(HCl) (читают: двухмольный раствор).

М о л я р н а я к о н ц е н т р а ц и я э к в и в а л е н т а р а с т в о р а есть число, показывающее, сколько молей эквивалента растворенного вещества содержится в 1 дм³ раствора. Число молей эквивалента можно рассчитать по формуле:

моль, следовательно (3)

, моль/дм³ (4)

Х и м и ч е с к и м э к в и в а л е н т о м называют такую часть молекулы, атома, иона, формульной единицы, которая в данной реакции эквивалента (т.е. взаимодействует без остатка) одному атому водорода или одному действующему заряду (электрону).

Так как эквивалент любого вещества взаимодействует с одним атомом (ионом) водорода, то при вычислении эквивалентов необязательно исходить из соединений с водородом.

 

Эквивалент вещества – такое количество, которое взаимодействует с одним эквивалентом любого другого вещества. Масса одного моля эквивалента, выраженная в граммах, называется молярной массой эквивалента. Она не является постоянной величиной для данного соединения, а зависит от конкретной реакции, в которую вступает это соединение.

 

Вычисляют ее, исходя из молярной массы:

(5) где - фактор эквивалентности.

В реакциях нейтрализации молярная масса эквивалента кислоты численно равна молярной массе, деленной на основность кислоты, которую для данной реакции определяют числом ионов водорода, замещающихся металлом. Например, при титровании фосфорной кислоты гидроксидом натрия до изменения окраски метилового оранжевого, что соответствует реакции нейтрализации ее до дигидрофосфата натрия, молярная масса эквивалента кислоты равна ее молярной массе.

При титровании же до изменения окраски фенолфталеина, когда кислота нейтрализуется до гидрофосфата натрия, молярная масса эквивалента ее равна половине молярной массы:

Молярная масса эквивалента основания численно равна молярной массе, поделенной на кислотность основания, которую определяют числом вступающих в реакцию гидроксид-ионов. Например,

Молярная масса эквивалента оксидов или солей, взаимодействующих с кислотами или основаниями, численно равна молярной массе, деленной на число ионов или гидроксид-ионов, взаимодействующих с одной молекулой оксида или соли:

В реакциях осаждения молярная масса эквивалента соли численно равна молярной массе ее, деленной на число зарядов катиона металла, участвующих в данной реакции:

В реакциях комплексообразования молярная масса эквивалента численно равна молярной массе, деленной на число зарядов катионов металла, которые применяют участие в образовании молекулы комплексного соединения:

В двух молекулах гексацианоферрата (II) калия было замещено 6 ионов калия тремя ионами цинка, следовательно, в каждой молекуле было замещено 3 иона калия или во взаимодействии с каждой молекулой приняли участие 3 заряда ионов цинка, следовательно:

В реакциях окисления-восстановления молярную массу эквивалента вычисляют делением молярной массы на число электронов, принятых или отданных каждой молекулой вещества в данной реакции.

Например, для перманганата калия величина молярной массы эквивалента зависит от того, в какой среде протекает реакция:

В кислой среде:

В слабощелочной среде:

В сильно-щелочной среде:

Приведенные выше примеры показывают, что для вычисления молярной массы эквивалента необходимо учитывать конкретную химическую реакцию, в которой участвует вещество и уметь правильно написать ее уравнение.

Часто концентрацию раствора выражают через поправочный коэффициент – К, показывающий отношение истинной точной концентрации раствора к той, какую желали получить при его приготовлении (т.е. стандартной).

(6)

Например, методом разбавления необходимо было получить раствор серной кислоты с молярной концентрацией С_ст=0,1000 моль/дм³. После приготовления раствора и установки точной его концентрации последняя оказалась равной 0,1012 моль/дм³ (С_точн). Следовательно, поправочный коэффициент равен:

В ответе обязательно указывают к какой стандартной концентрации рассчитан поправочный коэффициент.

В расчетных задачах подобного типа заданную точную концентрацию округляют до первой значащей цифры, и полученное значение принимают за С_ст. Например: С_{(НСl)точн}=0,1894 моль/дм³, тогда С_(НСl)ст=0,2 моль/дм³

К = 0,947 к С_(НСl) = 0,2 моль/дм³_.

Можно просто в точной концентрации отбросить последние цифры, оставив одну значащую, т.е. С_(НСl)ст.=0,1 моль/дм³, тогда

; К = 1,894 к С_(НСl) = 0,1 моль/дм³.

Массовая концентрация представляет собой отношение массы m(A) растворенного вещества (компонента смеси) к объему раствора (смеси). Единица измерения кг/м³, г/л³, г/дм³. На практике часто используют такую массовую концентрацию как титр, который вычисляют как отношение массы растворенного вещества к объему раствора, выраженному в см³ (мл):

(7)

При серийных анализах используют титр по определяемому веществу – который показывает массу определяемого вещества, соответствующую 1 см³ раствора реактива (рабочего) или реагирующую с 1 см³ рабочего раствора:

 

(8)

 

Так, Т_{НCl / NaOH} = 0,003839 г/см³ показывает, что 1 см³ раствора хлороводорода с указанным титром может нейтрализовать 0,003839 г гидроксида натрия.

Титр и титр по определяемому веществу, как способ выражения состава, не рекомендуют использовать в настоящее время по правилам международной системы единиц измерения физических величин (СИ), однако в практике химического анализа они пока еще находят применение.

В тех случаях, когда известны масса или объем как растворенного вещества, так и раствора (смеси), для выражения состава используют д о л и.

Доля количества или молярная доля N(A) представляет собой отношение количества n(А) растворенного вещества А (или компонента А смеси) к суммарному количеству åV_i всех веществ, составляющих раствор или смесь. Для двухкомпонентной смеси:

(9)

Массовая доля, w(А ) есть отношение массы m(A) растворенного вещества (компонента смеси) к суммарной массе åm_i всех веществ составляющих раствор (смесь):

(10)

Для раствора:

(11)

Объемная доля j(А) является отношением объема V(А) вещества до его растворения (до образования смеси) к сумме объемов åV_i всех веществ, образующих раствор (смесь). Для двухкомпонентной смеси:

(12)

Согласно определениям долей численные их значения находятся в пределах от 0 до 1. Для удобства использования они могут быть умножены на 10², 10³, 10⁶, 10⁹. Таким образом, численные значения долей выражают соответственно в виде сотых (процентов, %), тысячных (промиллей, %), миллионных (млн^-1) или миллиардных (млрд^-1) частей единицы. Например:

Моляльность – отношение количества n(А) растворенного вещества к массе растворителя m(B):

(15)

Моляльность можно обозначать буквой m, но ее следует ставить перед формулой растворенного вещества. Например, обозначение 2m NaCl следует читать – двухмоляльный раствор хлорида натрия.

 

Используя рассмотренные формулы расчета состава растворов, можно проследить взаимосвязь их друг с другом:

 

(16)