Массовая доля, молярная концентрация, растворимость

Раствор — однородная система из растворителя и растворённого вещества (одного или нескольких). Почти все реакции неорганической химии, о которых шла речь в разделах об электролитах и гидролизе, идут в водных растворах, поэтому для расчётов нужно уметь выражать, сколько вещества в растворе содержится. Для этого служат массовая доля и молярная концентрация.

Массовая доля

Массовая доля растворённого вещества \(w\) — отношение массы вещества к массе всего раствора (в долях единицы или процентах):

\[ w = \frac{m(\text{в-ва})}{m(\text{р-ра})}, \qquad m(\text{р-ра}) = m(\text{в-ва}) + m(\ce{H2O}) = \rho \cdot V \]

Пример: в 200 г раствора с массовой долей соли 15 % содержится \(200 \cdot 0{,}15 = 30\) г соли и 170 г воды. Масса раствора — это масса вещества вместе с водой; масса 1 мл воды — 1 г, поэтому объём воды в миллилитрах численно равен её массе в граммах.

Молярная концентрация

Молярная концентрация \(c\) — количество вещества в 1 литре раствора:

\[ c = \frac{n}{V(\text{р-ра})}, \qquad [c] = \text{моль/л} \]

Раствор с \(c = 0{,}5\) моль/л обозначают 0,5 М. В 200 мл такого раствора \(\ce{NaOH}\) содержится \(0{,}5 \cdot 0{,}2 = 0{,}1\) моль, то есть 4 г гидроксида натрия. Переход от массовой доли к молярной концентрации требует плотности раствора: \(c = \dfrac{1000\,\rho\,w}{M}\) (\(\rho\) — в г/мл).

Растворимость

Растворимость \(S\) — масса вещества, которая при данной температуре растворяется в 100 г воды, образуя насыщенный раствор (г на 100 г воды). Насыщенный раствор находится в равновесии с нерастворившимся веществом; в ненасыщенном можно растворить ещё вещество; пересыщенный раствор содержит больше вещества, чем позволяет растворимость, и неустойчив: при встряхивании или внесении кристаллика из него выпадает избыток.

Массовая доля вещества в насыщенном растворе связана с растворимостью:

\[ w = \frac{S}{100 + S} \]

Растворимость нитрата калия при 20 °C — 31,6 г, значит, \(w = 31{,}6 : 131{,}6 \approx 0{,}24\). Растворимость большинства твёрдых веществ растёт с температурой (у \(\ce{KNO3}\) резко, у \(\ce{NaCl}\) почти не меняется, у \(\ce{Ca(OH)2}\) даже падает). Растворимость газов при нагревании уменьшается, а при повышении давления растёт — поэтому газированный напиток выделяет пузырьки при открывании бутылки.