Формула концентрации раствора
Определение и формула концентрации раствора
Наиболее распространены следующие способы выражения концентрации раствора.
Массовая доля – отношение (обычно – процентное) массы растворенного вещества к массе раствора:
w = msolute / msolution× 100%.
Например, 15: (масс.) водный раствор хлорида натрия – это такой раствор, в 100 единицах массы которого содержится 15 единиц массы NaCl и 85 единиц массы воды.
Молярная доля – это отношение количества растворенного вещества (или растворителя) к сумме количеств всех веществ, составляющих раствор. В случае раствора одного вещества в другом молярная доля растворенного вещества (N2) равна:
N2 = n2 / (n1 + n2),
а молярная доля растворителя (N1):
N1 = n1 / (n1 + n2),
где n1иn2 – соответственно количество вещества растворителя и растворенного вещества.
Молярная концентрация, или молярность – отношение количества растворенного вещества к объему раствора:
СМ = n / V.
Обычно молярность обозначается СМили (после численного значения молярности) М. Так, 2М H2SO4 означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 моля серной кислоты, т.е. СМ = 2 моль/л.
Моляльная концентрация, или моляльность – это отношение количества растворенного вещества к массе растворителя:
m = nsolute / msolvent.
Обычно моляльность обозначается буквой m. Так, для раствора серной кислоты запись m = 2 моль/кг (воды) означает, что в этом растворе на каждый килограмм растворителя (воды) приходится 2 моля серной кислоты. Моляльность раствора в отличие от его молярности не изменяется при изменении температуры.
Нормальность раствора (нормальная концентрация, молярная концентрация эквивалента) СН(Х) – это отношение количества вещества эквивалента, содержащегося в растворе, к объему этого раствора [моль / м3]. На практике нормальность раствора по аналогии с молярной концентрацией выражают в моль/л. Так, например, с(H2SO4) = 1 моль/л, с(KOH) = 0,01 моль/л. При с(В) = 1 моль/л раствор называют нормальным, при с(В) = 0,01 моль/л – сантимолярным и т.д. Приняты и такие обозначения: 1 н. раствор H2SO4; 0,01 н. раствор KOH.
Эквивалентом называется реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим способом эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Моль вещества эквивалента содержит 6,02×1023 эквивалентов.
Титр раствора – это масса вещества, содержащаяся в одном кубическом сантиметре (одном миллилитре) раствора [г/мл]. Обычно обозначается буквой Т. Например, T(HCl) = 0,02 г/мл означает, что в 1 мл раствора содержится 0,02 г соляной кислоты.
Примеры решения задач
Задание | Оксид хрома (VI) массой 2 г растворили в воде массой 500 г. Рассчитайте массовую долю хромовой кислоты H2CrO4 в полученном растворе. |
Решение | Запишем уравнение реакции получения хромовой кислоты из оксида хрома (VI):
CrO3 + H2O = H2CrO4. Найдем массу раствора: msolution = m(CrO3) + m (H2O) = 2 + 500 = 502 г. Для того, чтобы рассчитать массу растворенного вещества хромовой кислоты, определим количество вещества оксида хрома (VI) (молярная масса – 100 г/моль): n = m / M; n (CrO3) = m (CrO3) / M (CrO3); n (CrO3) = 2 / 100 = 0,02 моль. Согласно уравнению реакции n(CrO3) :n(H2CrO4) = 1:1, значит, n(CrO3) = n(H2CrO4) = 0,02 моль. Тогда масса хромовой кислоты будет равна (молярная масса – 118 г/моль): m = n × M; m (H2CrO4) = n (H2CrO4) × M (H2CrO4); m (H2CrO4) = 0,02 × 118 = 2,36 г. Массовая доля хромовой кислоты в растворе составляет: ω = msolute / msolution × 100%; ω(H2CrO4)=msolute(H2CrO4)/ msolution × 100%; ω (H2CrO4)=2,36 / 502 × 100% = 0,47 %. |
Ответ | Массовая доля хромовой кислоты равна 0,47 % |
Задание | Железная окалина Fe3O4массой 10 г была сначала обработана 150 мл соляной кислоты (плотность 1,1 г/мл) с массовой долей хлороводорода 20%, а затем в полученный раствор добавили избыток железа. Определите состав раствора (в % по массе). |
Решение | Запишем уравнения реакций, которые протекают согласно условию задачи:
8HCl + Fe3O4 = FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O (1); 2FeCl3 + Fe = 3FeCl2 (2). Определим количество вещества хлороводорода (молярная масса равна 36,5 г/моль): msolution (HCl) = Vsolution (HCl) × ρ; msolution (HCl) = 150 × 1,1 = 165 г. ω = msolute / msolution × 100%. msolute = ω / 100% ×msolution; msolute (HCl) = ω (HCl) / 100% ×msolution (HCl); msolute (HCl) = 20 / 100% × 165 = 33 г. n = m / M; n(HCl) = msolute (HCl) / M (HCl); n (HCl) = 33 / 36,5 = 0,904 моль. Рассчитаем количество вещества Fe3O4(молярная масса равна 232 г/моль) и вещество, находящееся в избытке: n(Fe3O4) = m (Fe3O4) / M (Fe3O4); n (Fe3O4) = 10 / 232 = 0,043 моль. n (Fe3O4) :n (HCl) = 1 : 8; n (HCl) = 8 × n (Fe3O4); n (HCl) = 8 × 0,043 = 0,344 моль. По условию, количество вещества хлороводорода равно 0,904 моль. Следовательно, HCl находится в избытке и будет протекать ещё одна реакция: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑ (3). Определяем количество моль FeCl2 и FeCl3, образовавшихся в ходе реакции (1) и количество вещества HCl, прореагировавшее с Fe3O4: n1 (FeCl2) :n (Fe3O4) = 1:1, значит n1 (FeCl2) = n (Fe3O4) =0,043 моль; n1 (FeCl3) :n (Fe3O4) = 2:1, значит n1 (FeCl3) = 2 ×n (Fe3O4) =0,086 моль; n1 (HCl) :n (Fe3O4) = 8:1, значит n1 (HCl) = 8 ×n (Fe3O4) =0,344 моль. Рассчитаем количество вещества HCl, которое не прореагировало в реакции (1), и количество моль FeCl2, образовавшееся в ходе реакции (3): nremaining (HCl) = n (HCl) — n1 (HCl); nremaining (HCl) = 0,904 — 0,344 = 0,53 моль; n3 (FeCl2) :nremaining (HCl) = 1:2, значит n3 (FeCl2) = 1/2× nremaining (HCl) =0,28 моль. Определяем количество вещества FeCl2, образовавшееся во второй реакции, общее количество моль и массу FeCl2 (молярная масса равна 127 г/моль): n2 (FeCl2) = n1 (FeCl3) = 00,086 моль; n2 (FeCl2) :n2 (FeCl3) = 3:2, значит n2 (FeCl2) = 3/2× n2 (FeCl3) =0,129 моль; nsum (FeCl2) = 0,043 + 0,129 + 0,28 = 0,452 моль; m = n×M; m (FeCl2)=nsum (FeCl2)×M (FeCl2); m (FeCl2)=0,452 × 127 = 57,404 г. Определяем количество моль и массу железа (молярная масса равна 56 г/моль) железа, вступившего в реакции (2) и (3): n2 (Fe) :n2 (FeCl3) = 1:2, значит n2 (Fe)= 1/2× n2 (FeCl3) = 0,043 моль; n3 (Fe) :nremaining (HCl) = 1:2, значит n2 (Fe)= 1/2× nremaining (HCl) = 0,28 моль; nsum (Fe) = 0,043 + 0,28 = 0,323 моль; m (FeCl2)=nsum (Fe)×M (Fe); m (Fe)= 0,28 × 56 = 18,088 г. Вычислим количество моль и массу водорода (молярная масса равна 2г/моль), выделившегося в реакции (3): n3 (H2) = 1/2× nremaining (HCl) = 0,28 моль; m (H2)=n (H2)×M (H2); m (H2)=0,28 × 2 = 0,56 г. Определим массу полученного раствора и массовую долю хлорида железа (II) в нем: m’solution = msolution (HCl) + m(Fe3O4) + msum(Fe) – m(H2); m’solution = 165 + 10 + 18,088 – 0,56 = 192,528 г; ω(FeCl2)=msum(FeCl2) / msolution × 100%; ω (FeCl2)=57,404 / 192,528 × 100% = 29,82%. |
Ответ | Массовая доля хлорида железа (II) равна 29,82% |