Концентрации растворов. Массовая и молярная концентрация, Титр, Моляльность, Мольная, массовая, объемная доли. Нормальная (эквивалентная) концентрация, Фактор эквивалентности, Молярная масса эквивалента вещества

Количество и концентрация вещества. Выражение и пересчеты из одних единиц в другие. Концентрации растворов. Массовая и молярная концентрация, Титр, Моляльность, Мольная, массовая, объемная доли. Нормальная (эквивалентная) концентрация, Фактор эквивалентности, Молярная масса эквивалента вещества.

Моль–количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц (молекул, атомов, ионов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода-12.
При использовании термина моль следует указывать частицы, к которым относится этот термин. Соответственно, можно говорить «моль молекул», «моль атомов», «моль ионов» и т.д. (например, моль молекул водорода, моль атомов водорода, моль ионов водорода). Так как 0,012 кг углерода-12 содержит

Отношение массы вещества к количеству вещества называют молярной массой.
M (X) = m (X) / n(X)
То есть, молярная масса(М) – это масса одного моля вещества. Основной системной (в международной системе единиц СИ) единицей молярной массы является кг/моль, а на практике – г/моль. Например, молярная масса самого легкого металла лития М (Li) = 6,939 г/моль, молярная масса газа метана М (СН4) = 16,043 г/моль. Молярная масса серной кислоты рассчитывается следующим образом M (Н2SО4) = 196 г / 2 моль = 96 г/моль.
Молярная масса М (Х) -- масса одного моля молекул вещества (г/моль). M(X)=mx/n (X), где mx – масса вещества, г; n (X) – количество вещества, моль. Молярная масса вещества Х численно равна относительной молекулярной массе Mr (в случае молекул) или относительной атомной массе (в случае атомов).

Относительная молекулярная масса (Mr) –это молярная масса соединения, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12.
- Например,Мr(СН4) = 16,043. Относительная молекулярная масса – величина безразмерная.
- Например, Ar(Li) = 6,039.
- Массовая концентрация (С или β) –отношение массы компонента, содержащегося в системе (растворе), к объему этой системы (V). Это самая распространенная у российских аналитиков форма выражения концентрации.
  - β(Х) =m (X) / V(смеси)
  - Единицы измерения титра — кг/см 3 , г/см 3 , г/мл и др.
  - b(Х) = n(X) / m (растворителя) = n(X) / m (R)
  - Единица измерения моляльности --моль/кг. Например,b (HCl/H2O) = 2 моль/кг. Моляльная концентрация применяется в основном для концентрированных растворов.
  - х(Х) =n(X) / n(X) + n(Y)
  - Мольнаядоля может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле (тысячная часть %) и в миллионных (млн –1 ,ppm), миллиардных (млрд –1 ,ppb), триллионных (трлн –1 ,ppt) и др. долях, но единицей измерения все равно является отношение –моль/моль. Например,х(С2Н6) = 2 моль / 2 моль + 3 моль = 0,4 (40 %).
  - ω (Х) = m(X) / m(смеси)
  - Массовая доля измеряется в отношениях кг/кг (г/г). При этом она может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле, миллионных, миллиардных и т.д. долях. Массовая доля данного компонента, выраженная в процентах, показывает, сколько граммов данного компонента содержится в 100 г раствора.
    - Например, условно ω (KCl) = 12 г / 12 г + 28 г = 0,3 (30%).
    - φ (Х)=v(X) /v(X)+v(Y)
    - Объемная доля измеряется в отношениях л/л или мл/мл и тоже может быть выражена в долях единицы, процентах, промилле, миллионных и т.д. долях. Например, объемная доля кислорода газовой смеси составляет φ (О2)=0,15 л / 0,15 л + 0,56 л.
    - с(Х) = n(X)/ V(смеси)
    - Единица измерения молярной концентрации моль/м 3 (дольная производная, СИ – моль/л).
      - Например,c (H2S04) = 1 моль/л,с(КОН) = 0,5 моль/л.
      - N = Сэкв(Х) = n (1/Z X) / V(смеси)
      - Количество вещества (в молях), в котором реагирующими частицами являются эквиваленты, называется количеством вещества эквивалента nэ(1/Z X) = nэ(Х).
      - Единица измерения нормальной концентрации («нормальности») тоже моль/л (дольная производная, СИ).
        
        Например, Сэкв.(1/3 А1С13) = 1 моль/л.
        
        fэкв(Х) = 1/Zx
        
        где Zx.— число замещенных или присоединенных ионов водорода (для кислотно-основных реакций) или число отданных или принятых электронов (для окислительно-восстановительных реакций);
        
        Х — химическая формула вещества.
        
        Фактор эквивалентности всегда равен или меньше единицы. Будучи умноженным на относительную молекулярную массу, он дает значение эквивалентной массы (Е).
        
        Для реакции:
        
        H2SО4 + 2 NaOH = Na2SО4 + 2 H2
        
        fэкв(H2SО4) = 1/2,fэкв(NaOH) = 1
        
        fэкв(H2SО4) = 1/2, т.е. это означает, что ½ молекулы серной кислоты дает для данной реакции 1 ион водорода (Н + ), а соответственноfэкв(NaOH) = 1 означает, что одна молекулаNaOHсоединяется в данной реакции с одним ионом водорода.
        
        10 FeSО4 + 2 KMnО4 + 8 H2SО4 = 5 Fe2(SО4)3 + 2 MnSО4 + K2SО4 + 8 H2О
        
        2МпО4 - + 8Н + +5е - → Мп 2+ – 2e - + 4 Н2О
        
        5 Fe 2+ – 2e - → Fe 3+
        
        fэкв(KMnО4) = 1/5 (кислая среда), т.е. 1/5 молекулы KMnО4 в данной реакции эквивалентна 1 электрону. При этомfэкв(Fe 2+ ) = 1, т.е. один ион железа (II) также эквивалентен 1 электрону.
        
        Форма записи эквивалента: fэкв(Х) Х (см. табл.), или упрощенно Эх, где Х –химическая формула вещества, т.е. [Эх =fэкв(Х) Х]. Эквивалент безразмерен.
        
        Эквивалент кислоты(или основания) – такая условная частица данного вещества, которая в данной реакции титрования высвобождает один ион водорода или соединяется с ним, или каким-либо другим образом эквивалентна ему.
        
        Например, для первой из вышеуказанных реакций эквивалент серной кислоты — это условная частица вида ½ H2SО4 т.е. fэкв(H2SО4) = 1/Z= ½; ЭH2SО4 = ½ H2SО4.
        
        Эквивалент окисляющегося(или восстанавливающегося)вещества— это такая условная частица данного вещества, которая в данной химической реакции может присоединять один электрон или высвобождать его, или быть каким-либо другим образом эквивалентна этому одному электрону.
        
        Например, при окислении перманганатом в кислой среде эквивалент марганцевокислого калия – это условная частица вида 1/5 КМпО4, т.е. ЭКМпО4 =1/5КМпО4.
        
        Так как эквивалент вещества может меняться в зависимости от реакции, в которой это вещество участвует, необходимо указывать соответствующую реакцию.
        
        Например, для реакции Н3РО4+NaOH=NaH2PО4+H2O
        
        эквивалент фосфорной кислоты Э Н3РО4 == 1 Н3РО4.
        
        ее эквивалент Э Н3РО4 == ½ Н3РО4,.
        
        Молярную массу эквивалента обозначают как М [fэкв(Х) Х] или с учетом равенства Эх =fэкв(Х) Х ее обозначают М [Эх]:
        
        М (Эх)=fэкв(Х) М (Х); М [Эх] = М (Х) /Z
        
        Например, молярная масса эквивалента КМпО4
        
        М (ЭКМпО4) =1/5КМпО4 = М 1/5 КМпО4 = 31,6 г/моль.
        
        Это означает, что масса одного моля условных частиц вида 1/5КМпО4 составляет 31,6 г/моль. По аналогии молярная масса эквивалента серной кислоты М ½ H2SО4 = 49 г/моль; фосфорной кислоты М ½ H3 РО4 = 49 г/моль и т.д.
        
        В соответствии с требованиями Международной системы (СИ) именно молярная концентрацияя вляется основным способом выражения концентрации растворов, но как уже отмечалось, на практике чаще применяетсямассовая концентрация.
        
        Рассмотрим основные формулы и соотношения между способами выражения концентрации растворов (см. табл. 1 и 2).
        
        С (Х)* = β(Х/V)
        
        С (Х) = β(Х/V) =mx/V(Х+Y)
        
        С Н2SO4 = 0,2 кг/л или 200 г/л Н2SO4
        
        Т(Х)
        
        Т(Х) = mx/V= C (Эх)·M(Эх)/1000
        
        Т (НCl) = 0,2012 г/мл
        
        Т (А/Х)
        
        Т (А/Х) = с(ЭА ) ·M(Эх)/1000
        
        с (Х)*
        
        с (Х) = (n) Х/V=mx/M(X)V.
        
        с Н2SO4 = 0,2 моль/л или 0,2 М Н2SO4
        
        С [fэкв (Х)Х] или с (Эх) илиN
        
        C (Эх) = n(Эх)/V=mx/M(Эх)V=N
        
        или C (Эх) = с (Х)/ fэкв (Х) = с (Х) ·Zx=N
        
        N= С (1/5 КМпО4) = 0,02 моль/л (кислая среда) или 0,02 н. КМп04
        
        b(Х/R) = n (X) / m (растворителя)
        
        х % (Х) = х (Х/Х+ Y)
        
        х % (Х) = n (X) / n (X) + n (Y)
        
        Если в 1 моле раствора содержится 0,20 моля NaOH, то:мольная доля NaOH в этом растворе х % (NaOH):
        
        =0,2/1 = 0,2 или 20%, или 2·10 5 млн -1 , или 2·10 8 млрд -1 , или др.
        
        ω % (Х) = mx/mр-ра 100 =mx/mр-рит.+mx
        
        Если в 100 г раствора содержится 20 г NaOH,то:массовая доля NaOH в этом растворе
        
        ω%(NaOH) =20 г/(80 г+0 г)=
        
        = 0,2 или 20% (масс.) или 2 ·10 -1 =
        
        = 2 ·10 8 млрд -1 или 2 ·10 11 трлн -1 , или др. ед.
        
        φ (Х), %=v(X) /v(X)+v(Y)
        
        Если в 100 мл раствора содержится 20 мл спирта, объемная доля в этом в этом растворе:
        
        φ% (спирта) =20/100 = 0,2 или 20% (об..) = 2·10 2 промилле, или
        
        2 ·10 8 млрд -1 , или 2·10 11 трлн -1 или др. ед.
        
        * В расчетных уравнениях химическую формулу обычно ставят в индексе.
        
        Пересчеты из одной формы выражения концентрации в другую являются достаточно простыми арифметическими задачами, с решениями которых аналитику приходится сталкиваться очень часто – при приготовлении аналитических растворов, при пробоотборе и пробоподготовке, при смешении пробы с аналитическими растворами, а также при статистической обработке и представлении получившихся результатов в цифровой и графической форме. Рассмотрим формулы для пересчета шести наиболее часто применяемых форм выражения концентраций (см. табл. 2).
        📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎