Растворы. Способы выражения концентрации растворов

Учение о растворах представляет для медиков особый интерес, поскольку растворы имеют большое значение в биологии, физиологии, медицине и фармации. Растворами являются биологические жидкости организма: кровь, лимфа, спинномозговая и другие жидкости. Усвоение пищи связано с переходом питательных веществ в растворенное состояние. Биохимические реакции в живых организмах протекают в растворах. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии или переходят в растворенное состояние в организме.

Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или более компонентов. Каждый из компонентов раствора равномерно распределён между другими по всему объёму раствора в виде молекул, атомов или ионов.

По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными, жидкими и твёрдыми. Компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считается растворителем, остальные составляющие раствора – растворёнными веществами. Если все компоненты раствора находятся в одном агрегатном состоянии, растворителем считается тот из них, которого в растворе больше.

Важная характеристика раствора – концентрация. Она выражает относительное содержание растворённого вещества в растворителе. Этой величиной определяются многие свойства растворов.

В связи с введением в действие СИ, применяются следующие способы выражения концентрации растворов.

Массовая доля растворённого вещества – отношение массы растворённого вещества к массе раствора.

W_в = m_в / m_р

W_в – массовая доля растворённого вещества;

m_в – масса растворённого вещества (г, кг);

m_р– масса раствора (г, кг).

Массовую долю растворенного вещества (W_в) обычно выражают в долях единицы или %-ах.

Например, массовая доля растворённого вещества гидроксида натрия NaOH в воде = 0,1 или 10%. Это означает, что в растворе массой 100 г содержится NaOH массой 10 г и вода массой 90 г.

Молярная концентрация – показывает число молей растворенного вещества в одном кубическом дециметре раствора.

С(х) = n(х) / V,[моль/дм³, моль/л, М]

С(х) – молярная концентрация вещества;

n(х) – число моль вещества;

V – объём раствора (дм³, л).

Например, С(NaOH) = 0,1 моль/дм³;

С(H₂SO₄) = 0,5 моль/дм³;

С(Н⁺) = 2 ∙10 ^–2 моль/дм³.

Молярное соотношение реагирующих веществ не всегда равно 1÷1, оно определяется стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. В связи с этим вводится понятие «химический эквивалент».

Химический эквивалент – реальная или условная частица вещества, которая в обменной реакции эквивалентна одному протону, а в о/в реакции – одному электрону.

В связи с этим понятием вводится ещё один способ выражения концентрации растворов – молярная концентрация эквивалента вещества.

Молярная концентрация эквивалента вещества (нормальная концентрация) – показывает число моль эквивалента вещества в одном дм³ (л) раствора.

Молярную концентрацию эквивалента вещества обозначают С(1/zX) выражают [моль/дм³, моль/л, н].

Выражение 1/z называется фактором эквивалентности. Он показывает, какая доля реальной частицы вещества соответствует эквиваленту.

В обменных реакциях число z показывает суммарный заряд обменивающихся ионов (в соответствии с уравнением реакции, знак заряда во внимание не принимается), в о/в реакциях – число отданных или принятых электронов.

Важно отметить, что одно и то же вещество может иметь разные эквиваленты в разных химических реакциях, поэтому эквивалент вещества может быть определён только для конкретной реакции. Рассмотрим это на примерах:

 

1. В реакциях обмена с участием Н₂SO₄ может происходить замещение одного или двух протонов. В зависимости от этого эквивалент серной кислоты меняется:

а) H₂SO₄ + NaOH = NaHSO₄ + H₂O z = 1 => 1/z = 1

б) H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ +2 H₂O z = 2 => 1/z = 2

 

2. В о/в реакциях с участием КМnO₄ в зависимости от кислотности среды образуются продукты восстановления, число электронов меняется, поэтому и эквивалент КМnO₄ также будет разным:

а) кислая среда

МnO₄^– + 8Н⁺ + 5 е → Mn²⁺ + 4H₂O z = 5 => 1/z = 1/5

б) нейтральная среда

МnO₄^– + 3Н⁺ + 3 е → MnО₂ + 2H₂O z = 3 => 1/z= 1/3

в) щелочная среда

МnO₄ ^– + 1 е → MnО₄^2– z = 1 => 1/z = 1

 

Необходимо быстро и правильно переходить от одного способа выражения концентрации к другому. Полезно запомнить, что С(1/zХ) = z ∙ С(Х)

Если 1/z = 1, то молярная концентрация эквивалента вещества будет равна молярной концентрации. Во всех других случаях она всегда будет больше молярной концентрации во столько раз, во сколько раз эквивалент меньше реальной частицы, т.е.

С(1/zХ): С(Х) = z

Например, молярная концентрация эквивалента раствора Н₃РО₄ с молярной концентрацией С(Н₃РО₄) = 0,2 моль/дм³ составляет С(1/3 Н₃РО₄) = 0,2 · 3 = 0,6 моль/дм³.

 

 

Расчёт молярных масс эквивалентов М (1/z Х) кислот, щелочей солей,

окислителей-восстановителей

 

Молярная масса эквивалента кислоты есть отношение молярной массы данной кислоты к числу ионов водорода участвующих в реакции:

Молярная масса эквивалента основания есть отношение молярной массы основания к числу ионов гидроксила участвующих в реакции:

Молярная масса эквивалента соли есть отношение молярной массы соли к произведению числа атомов металла данной соли на его степень окисления.

Молярная масса эквивалента окислителя или восстановителя есть отношение молярной массы окислителя или восстановителя к числу электронов, отданных или принятых в данной реакции.

 

Титр – отношение массы растворённого вещества к объёму раствора.

t = m / V, [г/см³]

t – титр раствора;

m – масса растворённого вещества, г;

V – объём раствора.

Например, t(Na₂СО₃) = 0,00125 г/см³, означает, что в 1см³ раствора содержится 0,00125 г Na₂СО₃.

Для освоения темы «Способы выражения концентрации растворов» необходимо знать следующие понятия и их обозначения:

m_в – масса растворённого вещества (г, кг);

m_р – масса раствора (г, кг);

W_в – массовая доля вещества (доля единицы, %);

М(Х) – молярная масса вещества (г/моль, кг/моль);

1/z – фактор эквивалентности (безразмерная величина);

n(Х) – количество вещества (моль);

n(1/zХ) – количество вещества эквивалента (моль);

С(Х) – молярная концентрация (моль/дм³, моль/л);

С(1/zХ) – молярная концентрация эквивалента (моль/дм³, моль/л);

ρ – плотность раствора (г/см³, кг/м);

V – объём раствора (дм³, см³, м);

t – титр раствора (г/см³).

При решении задач полезно пользоваться формулами, вышеприведёнными, а также:

m_р = ρ_р ∙ V_р;

n(Х) = m(Х) / М(Х);

m(Х) = С(Х) · М(Х) · V;

m(Х) = С(1/zХ) · М(1/zХ) · V.

 

Контрольные вопросы

1. Растворы: значение и применение.
2. Понятие эквивалента. Фактор эквивалентности.
3. Расчет молярной массы эквивалента соединений.
4. Способы выражения концентрации раствора:

Ø массовая доля растворенного вещества в растворе;

Ø молярная концентрация растворенного вещества в растворе;

Ø молярная концентрация эквивалента вещества в растворе;

Ø титр раствора.