Концентрация растворов

О каких бы особенностях раствора ни шла речь, первой его характеристикой будет концентрация, потому что именно от концентрации зависит большинство свойств раствора. Концентрацию соли в рассоле либо сахара в стакане чая можно определить по вкусу. Но в остальных случаях, концентрацию раствора приходится выражать более объективными показателями. Хотя бы с помощью процентов, т.е. через количество граммов растворенного вещества, приходящееся на 100 г раствора. Способ этот часто применяется в быту (в аптеке продается 3%-ная перекись водорода, в продуктовом магазине - 6%-ная уксусная кислота, в молочном магазине - 20%-ные сливки). Для примера посчитаем концентрацию сахара (сахарозы) в кружке чая. Обычная (не большая, не маленькая) кружка вмещает в себя 300 мл чая, из этих 300 мл часть приходится на молекулы сахара, если добавлено 2 чайные ложки (2 х 8 г = 18 г), то на долю растворенного сахара приходится 8 мл (определенно экспериментально), тогда на долю воды приходится 300 мл - 8 мл = 292 мл. 292 мл воды, это примерно 292 г, 2 чайные ложки сахара - 18 г сахара. Получается 5,8%-ный раствор сахара:

18 г	• 100% = 5,8%
292 г + 18 г

В физике же и химии к процентному способу выражения концентрации прибегают редко. Причина ясна: взаимодействуют друг с другом не граммы, а атомы. Если сопоставить два раствора различных веществ и одинаковой процентной концентрации, то их одинаковые объемы содержат различное количество молекул.

Молярная концентрация (молярность). Для химиков и физиков удобнее выражать концентрацию растворов через число молей в каком либо объеме (обычно в литре). В одном моле любого вещества содержится 6,022•10²³ молекул (6,022•10²³ - это число Авогадро - N_A). Пользоваться молярной концентрацией значительно удобнее, чем процентной: два различных раствора характеризующихся одинаковой молярной концентрацией, в равных объемах содержат одинаковое число молей и, значит, молекул растворенных веществ. Посмотрим какая молярная концентрация у уже приготовленного чая. Формула сахара (сахарозы) C₁₂H₂₂O₁₁ , используя атомные массы из таблицы Менделеева считаем массу одного моля сахарозы:

12•12 + 1•22 + 16•11 = 342 г/моль

Наш чай содержит 18 г сахара, получается 18(г)/342(г/моль) = 0,053 моль. Общий объем чая 300 мл, или 0,3 л, тогда концентрация отнесенная к одному литру будет:

0,053 моль	=  0,177 моль/л
0,3 л

При использовании молярной концентрации, сразу можно сказать какой объем раствора необходим для какой либо реакции. Например, есть раствор азотной кислоты концентрацией 0,01 моль/л который нужно нейтрализовать раствором гидроксида натрия концентрацией 0,1 моль/л, реакция нейтрализации имеет следующий вид:

HNO₃ + NaOH → NaNO₃ + H₂O

Из реакции видно, что на 1 моль кислоты необходим 1 моль основания (столько же, сколько кислоты), то есть если в 0,5 л 0,01 молярного раствора кислоты содержится 0,005 моль кислоты, для её нейтрализации необходимо добавить столько же молей основания - 0,005 моль. Столько молей основания содержит 50 мл 0,1 молярного раствора (0,005(моль)/0,1(моль/л) = 0,05 л = 50 мл). Если необходимо нейтрализовать 0,01 молярный раствор серной кислоты:

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

Для нейтрализации 1 моля кислоты необходимо 2 моля основания (в два раза больше). Тогда для нейтрализации 0,5 л 0,01 молярного раствора, содержащего 0,005 моль кислоты, необходим 0,01 моль основания. Столько молей основания содержится в 100 мл 0,1 молярного раствора (0,01(моль)/0,1(моль/л)=0,1л=100мл).

Недостатком такого выражения концентрации (как и любого выражения концентрации отталкивающегося от объема раствора) является зависимость от температуры, т.к. при изменении температуры изменяется объем. Кроме того, при приготовлении концентрированных растворов приходится учитывать увеличение объема после добавление значительного количества вещества, как это было сделано при расчете молярной концентрации сахара в чае (однако для концентрированных растворов молярная концентрация обычно не используется).

Моляльность. Количество молей растворенного вещества, приходящееся на 1 кг растворителя. Моляльность в отличие молярности не зависит от объема раствора, и в этом главное преимущество моляльности над молярностью. Вернемся к нашему чаю, посчитаем его моляльность. Количество молей сахара мы уже посчитали (0,053 моль). Масса используемой воды равна 0,292 кг. Получается:

0,053 моль	=  0,182 моль/кг
0,292 кг

У разбавленного водного раствора молярность и моляльность будут почти равны. Это потому, что 1000 г воды примерно соответствует 1 л (объем зависит от температуры), а добавление к 1000 г воды незначительного количества вещества почти не влияет на объем получившегося раствора. Однако в случаи концентрированных растворов, когда добавление вещества к 1 л воды приводит к увеличению объема раствора, или когда физические условия (температура, давление) существенно влияют на объем раствора, молярность и моляльность будут отличаться.

Мольно-долевое выражение концентрации. В данном случае концентрацию выражают через отношение числа молей растворенного вещества к сумме молей растворенного вещества и растворителя. Так, если количество молей растворенного вещества составляет m, а количество молей растворителя m_s, то мольная доля растворенного вещества N будет равна:

N =	m
	m + ms

Понятно, что мольно-долевая концентрация всегда меньше 1. Существенно важно и то, что, в отличие от предыдущих способов выражения концентрации, мольно-долевая концентрация - величина безразмерная. Посчитаем для чая, число молей сахара уже известно (0,053 моль), количество молей используемой воды считаем также как и количество молей сахара, сначала используя таблицу Менделеева считаем массу одного моля воды (H₂O):

1•2 + 16 = 18 г/моль

Далее считаем сколько молей в 292 мл (292 г) воды: 292(г)/18(г/моль) = 16,222 моль (умножив эту цифру на число Авогадро можно узнать сколько ориентировочно молекул воды выпивается с кружкой чая).

Теперь можно посчитать мольно-долевую концентрацию:

0,053 моль	= 0,0033
0,053 моль + 16,222 моль

Много, очень много различных способов выражения концентрации растворов - размерных и безразмерных, объективных и не очень, простых и сложных придумали люди, и, конечно, всех их не перечислить. Например, при оценке загрязненности водоёмов, концентрацию загрязняющих веществ выражают в долях от предельно допустимой концентрации (ПДК), так если концентрация меди в воде 0,005 мг/л при ПДК для меди 0,01 мг/л, от концентрацию меди можно представить как 0,5 ПДК (0,005(мг/л)/0,01(мг/л)), а если концентрация 0,02 мг/л, то это 2 ПДК (0,02(мг/л)/0,01(мг/л)).

Литература