Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Аналитическая химия

Способы выражения концентраций

Концентрация показывает, какое количество вещества находится в единице объема (в г/мл, мг/м3, моль/л, ммоль/л и др.), если речь идет об анализе растворов или газов. Однако в том случае, когда проводится анализ твердых объектов, чаще используется массовая доля, которая показывает, сколько частей одного компонента приходится на сто (миллион, миллиард) частей анализируемого объекта. В некоторых случаях бывает необходимо проанализировать, сколько вещества содержится на единице площади какой-либо поверхности (например, г/дм2). Поэтому в более широком плане под концентрацией следует понимать количество определенного компонента, находящегося в стандартизованном количестве анализируемого объекта. Причем понятие «концентрация» не надо путать с содержаниемколичеством определяемого вещества в объекте в целом (например, масса какого-либо компонента в пробе, образце и т.д.).

В количественном анализе наиболее широко используется молярная концентрация, молярная концентрация эквивалента (нормальная концентрация — устаревшее название), массовая концентрация (или титр) и массовая или объемная доля (процентная концентрация).

1. Молярная концентрация С(Х) показывает количество растворенного вещества (моль) в единице объема раствора (литр) V{X)

Численные значения молярной концентрации выражают в моль/л (моль/дм3), ммоль/л или ммоль/мл.

Зная массу вещества и учитывая соотношение (4.2), можно рассчитать молярную концентрацию вещества в растворе по формуле

В случае необходимости проведения более точных аналитических расчетов вместо общей концентрации вещества следует использовать активность ионов.

Равновесная концентрация ионов в растворе связана с концентрацией вещества С(Х) через степень диссоциации ах:

При достаточно больших концентрациях противоположно заряженные ионы в растворе притягиваются, образуя ионные пары, ас- социаты, вплоть до образования молекул. В результате этого реальная концентрация ионов в растворе уменьшается, ее называют активностью или активной концентрацией х). Электростатическое взаимодействие между ионами отражает коэффициент активности

Значения средних ионных коэффициентов активности электролитов (у±) табулированы в справочниках.

Используя уравнения (4.7) и (4.8), можно установить взаимосвязь активности ионов (ах) и общей концентрации вещества в растворе:

Экспериментально определить активности катиона а+ и аниона а_ невозможно, поэтому введено понятие средней ионной активности а+. Для электролита, образующего п+ катионов и п_ анионов,

Аналогично определяют средний ионный коэффициент активности:

Коэффициенты активности ионов не зависят от конкретного вида ионов, а зависят от ионной силы раствора (/), учитывающей влияние всех ионов, находящихся в растворе:

где / — ионная сила раствора; С. — концентрация ионов различных видов; соответственно, Z. — заряд этих ионов.

Для случая когда /< 10~2, согласно первому приближению теории Дебая—Хюккеля можно рассчитать как коэффициент активности у. отдельного иона:

так и средний ионный коэффициент активности у+:

где Z+ и Z — заряды катиона и аниона; / — ионная сила раствора; А — константа, зависящая от диэлектрической проницаемости растворителя и температуры. Для водного раствора при 25 °С А = 0,509.

При более высоких значениях / коэффициент активности рассчитывают по другим уравнениям (например, по формуле Дэвиса). В случае сильно разбавленных растворов (С < 10-4 М) ионная сила приближается к нулю (/ —» 0), коэффициент активности стремится к единице (у+ = 1); соответственно, активность ионов можно считать равной их концентрации х~С(Х)), если речь идет о сильных электролитах, когда ах = 1.

В аналитической практике, как правило, для упрощения расчетов принимают коэффициент активности равным единице. Только в тех случаях, когда предъявляются повышенные требования к точности проводимых расчетов, с целью нахождения активной концентрации учитывают ионную силу раствора и соответствующие коэффициенты активности ионов.

Примеры

  • 1. Запись С(НС1) = 0,0001 моль/л (или 0,0001 М НС1) означает, что молярная концентрация раствора хлороводородной кислоты составляет 0,0001 моль/л.
  • 2. Какую массу едкого натра необходимо взять для приготовления 500 мл 0,20 М раствора?

Решение. Воспользуемся формулой (4.6), решив ее относительно т(Х):

где X = NaOH, C(NaOH) = 0,20 моль/л, Af(NaOH) = 40 г/моль, V = = 500 мл = 0,500 л.

Подставляем перечисленные значения в уравнение и получаем m(NaOH) = 0,20 моль/л • 40 г/моль • 0,500 л = 4,0 г.

Ответ. Для приготовления 500 мл 0,20 М раствора едкого натра необходимо взвесить 4,0 г NaOH.

3. Какова молярная концентрация раствора гидроксида калия, если в мерной колбе на 250 мл растворено 15,68 г КОН?

Решение. Воспользуемся формулой (4.6):

Ответ. Молярная концентрация приготовленного раствора равна 1,12 моль/л.

2. Молярная концентрация эквивалента (устаревшее — нормальная концентрация) показывает количество молей эквивалентов растворенного вещества в единице объема раствора (обычно в 1 л раствора),

обозначается как cf—X J.

Молярную концентрацию эквивалента растворенного вещества можно записать в виде

где wf—— количество молей эквивалентов растворенного вещества.

Или по аналогии с уравнением (4.6):

Размерность молярной концентрации эквивалента: моль/л, ммоль/л или ммоль/мл. Растворы с молярной концентрацией эквивалента иногда называют нормальными, хотя такое наименование IUPAC не рекомендовано.

Для того чтобы при написании концентрации была достигнута однозначность, при обозначении молярной концентрации эквивалента перед формулой химического вещества следует указывать фактор эквивалентности.

Пример. При записи C(^H2S04) = 1 моль/л речь идет об одномолярной

концентрации эквивалента, когда в химической реакции принимают участие два протона. Следовательно, под химическим эквивалентом серной кислоты в соответствии с уравнением реакции H2S04 + + 2NaOH = Na2S04 + 2Н20 понимают такую условную частицу, как половина молекулы H2S04.

При записи C(H2S04) = 1 моль/л речь идет об одномолярной концентрации серной кислоты или об одномолярной концентрации эквивалента серной кислоты, когда под химическим эквивалентом понимают

такую реальную частицу, как молекула H2S04, что соответствует реакции

с участием одного протона:

Если фактор эквивалентности равен единице, то молярная концентрация эквивалента равна молярной концентрации вещества.

Переход от молярной концентрации вещества к молярной концентрации эквивалента можно осуществить с помощью уравнения

3. Массовая концентрация или титр (по растворенному веществу) Т(Х) показывает, какая масса вещества содержится в единице объема раствора:

Единицы измерения Т(Х): г/л, мг/мл, г/мл, мкг/мл.

Титр по определяемому веществу T(R/X) показывает, какая масса анализируемого вещества т(Х) реагирует с 1 мл рабочего раствора реагента R:

4. Часто состав раствора или объекта, состоящего из смеси веществ, выражают в виде доли компонента от общего количества объекта. Доля означает отношение количества частей определяемого компонента к общему числу частей объекта. Различают массовую, мольную и объемную доли.

Массовая доля со(А) показывает отношение массы определяемого вещества в смеси к общей массе смеси:

Объемная доля ф(Л) показывает отношение объема определяемого вещества в смеси к общему объему смеси:

Мольная доля а(Х) показывает отношение количества определяемого вещества (в молях) в смеси к общему количеству молей в объекте:

Наиболее часто массовую, мольную или объемную доли выражают в процентах (%), которые показывают число частей определяемого компонента, приходящихся на сто частей объекта. При оценке очень малых концентраций удобно использовать промилле (pph) — число частей компонента на тысячу, ррт — число частей на миллион или ppb — на миллиард частей объекта. Указанные единицы получают в результате умножения значения долей на соответствующие коэффициенты: (%) — на 100, pph — на 103, ррт — на 106, ppb — на 109.

Пример. Содержание меди составляет 5,5 мг в 1 л питьевой воды. Определите массовую долю меди.

Решение. Общая масса 1 л питьевой воды составляет

где V — объем раствора (103 мл или 103 см3); р — плотность раствора, которую в данном случае можно принять равной плотности воды (1 г/мл или 1 г/см3).

Соответственно, массовая доля меди будет равна

Так как число очень мало, удобнее перевести его в единицы ррт, умножив на коэффициент, равный 106.

Ответ. Массовая доля меди в питьевой воде составляет 5,5 ррт.

Вопросы для самоконтроля к подразделу 4.1.2

  • 1. Дайте определения понятий: эквивалент вещества, фактор эквивалентности, молярная масса эквивалента. Приведите примеры расчета фактора эквивалентности в реакциях кислотно-основного и окислительновосстановительного взаимодействия. Является ли молярная масса эквивалента какого-либо вещества постоянной величиной?
  • 2. Определите понятия: концентрация и содержание вещества. Какие способы выражения концентраций вы знаете?
  • 3. Что следует понимать под активностью или активной концентрацией? Каким образом взаимосвязаны активность, коэффициент активности, общая концентрация вещества в растворе и ионная сила раствора?
  • 4. Чему равен титр гидроксида калия в растворе с молярной концентрацией, равной 0,0846 моль/л?
  • 5. Чему равна молярная концентрация раствора дихромата калия с титром, равным 0,009641?
  • 6. Чему равна молярная концентрация 1,84% раствора аммиака, если его плотность равна 0,992 г/см3?
  • 7. Какова молярная концентрация эквивалента 26,35% раствора серной кислоты, если его плотность равна 1,160 г/см3?
  • 8. Рассчитайте титр раствора гидроксида калия с массовой долей 3,90%, если плотность раствора равна 1,035 г/мл.
  • 9. Вычислите молярную концентрацию фосфорной кислоты, участвующей в химической реакции по схеме

если установлено, что молярная концентрация эквивалента Н3Р04 составляет 0,2451 моль/л.

  • 10. Какую массу едкого натра необходимо взять для приготовления 500 мл 0,20 молярного раствора?
  • 11. Какую навеску перманганата калия необходимо взять для приготовления 10,0 л раствора с молярной концентрацией эквивалента, равной 0,1000 моль/л, если Мп04 вступает в дальнейшем в химическую реакцию, протекающую по схеме МпО/ + 8Н+ + 5е - Мп2+ + 4Н20?
  • 12. Какую навеску карбоната натрия необходимо взять для приготовления 2,00 л раствора с титром 0,010 г/мл?
  • 13. Каким образом можно приготовить 300 г 4,5% раствора NaOH?
  • 14. Какой объем хлороводородной кислоты с концентрацией 2,061 моль/л необходимо взять для приготовления 500,0 мл 0,1000 молярного раствора НС1?
  • 15. Какой объем раствора гидроксида натрия с титром, равным 0,01320 г/мл, необходимо взять для приготовления 200,0 мл раствора с концентрацией 0,2500 моль/л?
  • 16. Какой объем раствора серной кислоты плотностью 1,265 г/см3 необходимо взять для приготовления 1,00 л раствора с молярной концентрацией, равной 0,0500 моль/л?
  • 17. Масса меди в 1 литре питьевой воды составляет 5,5 мг. Определите массовую долю меди в воде.
  • 18. Чему равна молярная концентрация раствора гидроксида калия, если в мерной колбе на 250 мл растворено 15,68 г КОН?
  • 19. Какой объем воды следует добавить к 3950 мл раствора гидроксида натрия с массовой концентрацией (титром) 0,02014 г/мл, чтобы получить раствор с концентрацией 0,5000 моль/л?
  • 20. Для приготовления 500 мл раствора было взято 20,00 мл НС1 плотностью 1,19 г/см3. Вычислите молярную концентрацию эквивалента НС1 в полученном растворе.
  • 21. Какой объем раствора перманганата калия в кислой среде, имеющего массовую концентрацию (титр) 0,003457 г/мл, необходимо взять, чтобы получить 2,00 л раствора с концентрацией 0,0100 моль/л?
  • 22. Чему равна молярная концентрация серной кислоты, если в 500 мл воды растворили 20,0 г кислоты с массовой долей 25,0%?
  • 23. Чему равна молярная концентрация эквивалента серной кислоты, если в 250 мл воды растворили 5,00 г кислоты с массовой долей 12,5%?
  • 24. Какой объем раствора хлороводородной кислоты плотностью 1,098 г/см3 необходимо взять для приготовления 2,00 л раствора с массовой долей НС1, равной 0,50%?
 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы