4. Розчини і концентрації

Розчином називають однорідну (гомогенну) суміш, яка складається із розчиненої речовини, розчинника і продуктів їхньої взаємодії. Розчини можуть бути водними і неводними. До неводних розчинників відносять: спирти, ефіри, ацетон, бензол та інші органічні рідини.

Концентрацією розчинів називають масу розчиненої речовини (вагову або об'ємну), яка міститься у визначеному об'ємі розчину.

4.1.  Приготування розчинів молярної концентрації

4.1.1.  Приготування розчинів молярної концентрації речовини

Молярна концентрація розчину – це відношення кількості (у молях) речовини до об'єму розчину (у л або дм³). Розчин, що містить 1 моль речовини в 1 л, називається молярним; 0,1 моль речовини в 1 л – децимолярним; 0,01 моль-сантимолярним і т. д.

Для приготування 1М розчину підраховують молярну масу даної речовини, як суму атомних мас елементів, що входять до складу його молекули. Зважують на аналітичних вагах точну наважку, яка дорівнює в грамах його молекулярній масі. Зважування речовини роблять у чистому і сухому бюксі або на склі і невеликими порціями пересипають її через лійку у чисту мірну колбу місткістю 1 л. Потім декілька разів ретельно полощуть бюкс із промивалки водою, направляючи її в лійку, після чого ретельно обполіскують лійку і забирають її. Збовтують розчин до повного розчинення речовини, що знаходиться в колбі, (об'єм води не повинен перевищувати половини колби) і доводять об'єм розчину водою до мітки. Якщо розчинення ведуть при нагріванні, то розчин перед доведенням до мітки охолоджують до 20 °С, тому що об'єм колби відповідає позначеній мітці тільки при температурі 20 °С.

При доведенні об'єму розчину до мітки останні порції води добавляють по краплях, найкраще з піпетки, торкаючись її носиком до стінки горла колби, і спостерігають за тим, щоб нижній край меніска торкався лінії мітки, але не перевищував її. Колба при цьому повинна стояти на горизонтальній поверхні стола. Око спостерігача повинно знаходитися на рівні мітки. Спостереження потрібно вести на фоні білого екрана (листа паперу). Після наповнення колби водою до мітки розчин добре перемішують.

Таким же способом готують розчини інших концентрацій, беручи для розчинення відповідні наважки речовини.

Приклад: приготувати 0,5 л 0,1 М розчину дворомовокислого калію К₂Сr₂O₇.

Підрахуємо молярну масу

2 А(К) = 39,10  2 = 78,2 г/моль

2 А(Сr) = 52,01  2 = 104,2 г/моль

7 А (О) = 16,00  7 = 112 г/моль

М(К₂Сr₂O₇) = 294,92 г/моль

Для приготування 1 л 0,1 М розчину потрібно взяти 0,1 грам-молекули, тобто 29,422 г К₂Сr₂O₇ – для приготування 0,5 л розчину 14,711 г К₂Сr₂O₇. Наважки 14,711 г K₂Cr₂O₇ переносять у мірну колбу на 500 мл, після розчинення солі вміст колби доводять водою до мітки і добре перемішують.

4.1.2.  Приготування розчинів молярної концентрації еквівалента речовини

Молярна концентрація еквівалента (молярна еквівалентна концентрація) с_ек (застаріле – нормальність) дорівнює відношенню кількості еквівалентів (п_ек) речовини в 1 л розчину.

, моль/л.

Кількість еквівалентів розраховують як відношення маси речовини до молярної маси його еквівалента в даній реакції

, моль.

Масу наважки речовини, необхідну для приготування розчину, розраховують за формулою

.

Еквівалент – це деяка реальна або умовна частка, що може приєднувати, вивільнювати або бути тим чи іншим способом еквівалентою одному іону водню в кислотно-основних реакціях або одному електрону в окисно-відновних реакціях.

При використанні терміну “еквівалент” завжди необхідно вказувати, до якої конкретної реакції він відноситься.

Масу речовини, яка чисельно дорівнює її еквіваленту в даній реакції, називають молярною масою еквівалента М(Р) або М(Р)_ек.

Наприклад:

1.  У реакції H₂SO₄ + 2KOH = K₂SO₄ + 2Н₂O

г/моль;

г/моль;

оскільки 1 моль H₂SО₄ / визволяє 2 молі Н⁺, а 1 моль КОН приєднує 1 моль Н⁺.

2.  У реакції Н₃РО₄ + КОН = КН₂РО₄ + Н₂О

г/моль;

а в реакції Н₃РО₄ + 2KOH = К₂НРO₄ + 2Н₂O

г/моль.

3.  У напівреакції

г/моль.

4.  У напівреакції

г/моль.

Приклад

Приготувати розчин щавлевої кислоти об'ємом 0,5 л, молярна концентрація еквівалента якого дорівнює 0,1 моль/л.

Щавлева кислота взаємодіє з гідроксидом натрію за рівнянням

Н₂С₂O₄ + 2NaOH = Na₂C₂O₄ + 2Н₂O.

Отже, еквівалентна маса щавлевої кислоти дорівнює

г/моль.

Масу щавлевої кислоти для приготування розчину заданого об'єму і концентрації розраховують за формулою

,

де – молярна концентрація еквівалента щавлевої кислоти, моль/л;

V_p-ну – об'єм розчину щавлевої кислоти, см³.

Підставляючи значення завдання, отримаємо

м.

4.1.3.  Приготування розчинів із фіксаналів

Фіксанал являє собою точну кількість реактиву, запаяного в скляну ампулу. Фіксанал продається в коробках по 10 ампул. На кожній ампулі є позначення формули речовини, що знаходиться, і кількості 0,1 або 0,01 моль.

Кількісне перенесення і розчинення вмісту ампули в мірній колбі на 1 дм³ дає точно 0,1 або 0,01 н розчин.

Для приготування розчину з фіксаналу спочатку теплою водою обмивають ампулу зовні від штемпеля (або етикетки) і полощуть дистильованою водою. Потім у звичайну хімічну лійку поміщають коротким гострим кінцем нагору бойок із хрестоподібним потовщенням, який звичайно додають до кожної коробки фіксаналів. Лійку з бойком вставляють у горло мірної колби місткістю 1 л. Потім ампулу з фіксаналом плавно опускають так, щоб тонке дно її (поглиблення) розбилося при ударі об гострий кінець бойка. Після цього, не перевертаючи ампули, пробивають другим бойком верхнє поглиблення. Вміст ампули при цьому переливається або пересипається в мірну колбу. Ампулу промивають, не змінюючи її положення, із промивалки водою не менше 6 разів. Після промивання ампули і лійки їх забирають. Перенесену в колбу речовину збовтують, розчиняють у воді і доводять об'єм розчину до мітки. Колбу закривають пробкою і розчин добре перемішують.

Фіксанали лугів можуть зберігатися не більше 6 місяців, фіксанали солей і кислот – необмежено довгий термін.

При використанні фіксаналу 0,1 н йоду необхідно перед розкриттям ампули засипати в мірну колбу 30...40 г йодиду калію. Якщо ж вміст ампули складає 0,01 моль йоду, добавка йодиду калію не потрібна.

Використання фіксаналу дає можливість швидко і точно приготувати 0,1 або 0,01 н розчини.

3.2.  Приготування розчинів масових концентрацій розчиненої речовини

3.2.1.  Масова частка (застаріле – процентна концентрація) розчиненої речовини (_в) дорівнює відношенню маси розчиненої речовини до маси розчину (m_р)

.

Якщо відома густина  і об'єм розчину V, то

,

де _р – величина безрозмірна.

Приклад

Приготувати 60 г розчину азотнокислого амонію NH₄NO₃ із масовою часткою розчиненої речовини .

Запис  = 0,2 позначає 20-відсотковий розчин NH₄NO₃.

У 100 г розчину повинно міститися 20 г NH₄NO₃, а в 60 г повинно бути

100 : 20 = 60 : Х; г.

Отже, необхідно 12 г NH₄NO₃. Для визначення необхідної маси води із загальної маси розчину віднімають масу NH₄NO₃ 60 – 12 = 48. Води необхідно 48 г. Для визначення об'єму води необхідно розділити масу води на густину при температурі досліду

.

При приготуванні розчинів із сухих речовин їх зважують на вагах. Воду відміряють мірним циліндром або мензуркою.

Багато хімічних речовин містять кристалізаційну воду і тому називаються кристалогідратами. Наприклад, Na₂СО₃10Н₂О, CuSO₄5H₂O і ін. При приготуванні розчинів таких речовин необхідно враховувати наявність в них кристалізаційної води при розрахунку маси речовини. Припустимо, що необхідно приготувати 1 кг розчину сірчанокислої міді масовою часткою (10 %) із кристалогідрату CuSO₄5H₂O у розрахунку на безводну сіль.

Для приготування 1 кг розчину потрібно 100 г безводної солі. Молекулярна маса безводної CuSO₄ дорівнює 159,6 (округлено 160), молекулярна маса кристалогідрату CuSO₄5H₂O дорівнює 249,7 (округлено 250). Отже, 160 г безводної сірчанокислої міді міститься в 250 г кристалогідрату, а 100 г буде міститися в 156 г кристалогідрату.

100 : 20 = 60 : Х; г.

Отже, для приготування розчину необхідно взяти 156 г CuSO₄5H₂O, а води 1000 – 156 = 844 г.

При приготуванні розчинів масової частки речовини менше 0,01 відповідну наважку розчиняють у 100 см³ води.

3.2.2.  Масова концентрація – відношення маси речовини до об'єму розчину

або ,

де Т_р – (титр розчину) варіант масової концентрації.

Одиниці вимірювання г/мл, мг/мл.

Приклад

1.  Приготувати 100 см³ розчину NaOH масової концентрації 4 г/л

m (NaOH) = X (NaOH)  V_р-ну = г.

2.  Приготувати 500 мл розчину NaCl із титром T(NaCl) = 0,00006 г/м;

m (NaOH) = Т (NaOH)  V_р-ну = г.

3.3.  Приготування розчинів об'ємної концентрації розчиненої речовини (об'ємні відсотки)

Об'ємна частка розчиненої речовини дорівнює відношенню об'єму розчиненої речовини (V_p) до об'єму розчину (V_р-ну)

Запис _HCl = 0,15 читається – об'ємна частка НС1 дорівнює 15 %.

Приклад: приготувати 1 л розчину сірчаної кислоти об'ємною концентрацією 0,1. Для цього 100 мл сірчаної кислоти змішують із 900 мл води.