Способы выражения концентрации
Доля, молярность, моляльность
Состав раствора можно выразить через массу растворённого вещества или его количество вещества. Выбор способа зависит от того, что удобно измерять и для какого расчёта нужна концентрация.
| Способ | Определение | Единица | Где удобен |
|---|---|---|---|
| Массовая доля | Массу вещества делят на массу раствора: \(w = m_\text{в-ва}/m_\text{р-ра}\). | Выражают в долях единицы или процентах. | Используют при приготовлении растворов по массе и в промышленности. |
| Молярная концентрация, или молярность | Количество вещества делят на объём раствора: \(c = n/V_\text{р-ра}\). | Выражают в моль/л (М). | Используют при титровании и расчётах по уравнениям реакций. |
| Моляльность | Количество вещества делят на массу растворителя: \(b = n/m_\text{растворителя}\). | Выражают в моль/кг. | Используют в физической химии, поскольку она не зависит от \(T\). |
| Мольная доля | Количество вещества компонента делят на суммарное количество вещества всех компонентов: \(x_i = n_i/\sum n\). | Выражают в долях единицы. | Используют для газов, расплавов и в законах Рауля. |
| Титр | Массу растворённого вещества делят на объём раствора: \(T = m_\text{в-ва}/V\). | Выражают в г/мл. | Используют в аналитической химии. |
Чтобы перевести массовую долю в молярную концентрацию, нужно знать плотность раствора. Если плотность выражена в г/мл, масса 1 л раствора составляет \(1000\rho\) г. При массовой доле \(w\), записанной в долях единицы, в этом объёме содержится \(1000\rho w\) г вещества. Разделив эту массу на молярную массу, находят количество вещества в литре раствора:
Это же равенство позволяет найти массовую долю, если известны молярная концентрация, плотность и молярная масса.
edit_noteКонцентрированная серная кислота
Для 96 %-й \(\ce{H2SO4}\) при \(\rho = 1{,}84\) г/мл молярная концентрация составляет \(c = 1000\cdot1{,}84\cdot0{,}96/98{,}08 = 18{,}0\) моль/л. Концентрированная соляная кислота содержит лишь 36–37 % хлороводорода (11,8 М): больше хлороводорода вода при обычных условиях не удерживает.
errorНе путайте молярность с моляльностью
Молярную концентрацию относят к литру раствора, а моляльность — к килограмму растворителя. Объём раствора меняется с температурой, тогда как масса растворителя остаётся постоянной. Для разбавленных водных растворов численные значения молярности и моляльности почти равны, но для концентрированных заметно различаются. Например, в 10 %-м растворе NaCl \(c = 1{,}83\) М, а \(b = 1{,}90\) моль/кг.
auto_awesomeНормальность и эквиваленты
В старых книгах встречается нормальность (н.) — число эквивалентов вещества в литре раствора. При полной нейтрализации 1 н. \(\ce{H2SO4}\) = 0,5 М. Поскольку число эквивалентов одной и той же кислоты зависит от реакции, IUPAC не рекомендует пользоваться нормальностью. В олимпиадных задачах используют молярную концентрацию.
Олеум и «дымящие» кислоты
При промышленном получении серной кислоты \(\ce{SO3}\) поглощают концентрированной кислотой. Продукт, содержащий избыток триоксида, называют олеумом — раствором \(\ce{SO3}\) в \(\ce{H2SO4}\). Его состав выражают массовой долей свободного \(\ce{SO3}\): так обозначают избыток триоксида при условном представлении олеума смесью \(\ce{SO3}\) и \(\ce{H2SO4}\). Поэтому «20 %-й олеум» условно соответствует 20 г \(\ce{SO3}\) и 80 г \(\ce{H2SO4}\) в 100 г продукта.
Иногда состав того же олеума обозначают как «104,5 %-я серная кислота». Это не массовая доля кислоты в растворе, а указание на то, сколько граммов 100 %-й кислоты получится из 100 г олеума после добавления воды. В 20 %-м олеуме 20 г \(\ce{SO3}\) связывают 4,5 г воды; в результате образуется \(100 + 4{,}5 = 104{,}5\) г кислоты.
scienceПревращения олеума и дымящих кислот
- \(\ce{SO3 + H2SO4 -> H2S2O7}\) — при соединении триоксида серы с серной кислотой образуется дисерная (пиросерная) кислота, входящая в состав олеума.
- \(\ce{H2S2O7 + H2O -> 2H2SO4}\) — при добавлении воды дисерная кислота превращается в серную кислоту.
- \(\ce{4HNO3 ->[h\nu] 4NO2 + O2 + 2H2O}\) — под действием света азотная кислота разлагается; растворённый \(\ce{NO2}\) придаёт ей жёлтый цвет.
- \(\ce{HCl (г) + H2O -> H3O+ + Cl-}\) — концентрированная соляная кислота дымит на воздухе: выделяющийся хлороводород растворяется в каплях атмосферной влаги и образует туман.
boltАзеотропы
При перегонке разбавленной соляной кислоты преимущественно испаряется вода, поэтому концентрация остающегося раствора возрастает до 20,2 %. Раствор такого состава называют азеотропом: он кипит при 108,6 °C без изменения состава. Концентрированная соляная кислота, напротив, преимущественно теряет HCl, пока её концентрация не снизится до тех же 20 %. Азотная кислота образует азеотроп при 68 %; поэтому обычная концентрированная азотная кислота содержит 65–68 % кислоты.
push_pinГлавное
Массовая доля \(w = m_\text{в-ва}/m_\text{р-ра}\) показывает, какая часть массы раствора приходится на растворённое вещество. Молярная концентрация \(c = n/V_\text{р-ра}\) относится к объёму раствора и выражается в моль/л, а моляльность \(b = n/m_\text{растворителя}\) относится к массе растворителя, выражается в моль/кг и не зависит от температуры. Мольная доля равна \(n_i/\sum n\). Для перевода массовой доли в молярную концентрацию используют плотность: \(c = 1000\rho w/M\). Олеум представляет собой раствор \(\ce{SO3}\) в серной кислоте; при полном превращении избытка \(\ce{SO3}\) в кислоту число молей добавленной воды должно равняться числу молей \(\ce{SO3}\).
Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.