Как приготовить раствор концентрацией 1 моль л
§7.7 Концентрация раствора.
На практике часто приходится иметь дело с растворами, имеющими строго заданное содержание в них растворенного вещества . Приведем несколько примеров.
Во-первых, это приготовление различных лекарственных растворов. Если в аптеке случайно произойдет ошибка с количеством лекарства в его растворе, то последствия могут быть самыми плачевными.
Во-вторых, многие химические реакции проводят в растворах. И здесь ошибки могут приводить к печальным результатам. Например, если фотограф ошибется при растворении проявителя, то фотографии либо не проявятся, либо будут испорчены. Другой пример: если залить в аккумулятор раствор, в котором содержание серной кислоты будет меньше или больше требуемого, то аккумулятор либо не будет работать, либо выйдет из строя.
Еще один пример из лабораторной практики. Для получения бромистого калия (KBr) взяли два раствора: HBr и KOH. Из-за ошибки при приготовлении растворов гидроксид калия KOH добавили в воду в гораздо большем количестве, чем это требовалось для реакции обмена:
H Br + K OH = K Br + H 2 O
В результате полученный водный раствор KBr оказался безнадежно испорченным примесью непрореагировавшего, очень едкого гидроксида калия KOH.
Во всех перечисленных случаях было не учтено или нарушено заданное содержание вещества в растворе. Давайте разберемся в том, как правильно выражать это содержание и как правильно готовить раствор, если содержание вещества в растворе задано.
Один из способов выражения количества вещества в растворе – задание МАССОВОЙ ДОЛИ РАСТВОРЕННОГО ВЕЩЕСТВА .
Массовая доля растворенного вещества – это отношение массы растворенного вещества m 1 к общей массе раствора m, выраженное в процентах.
Пример 1. Для лечения гипертонической болезни (повышенное давление) применяют 25%-ный раствор сульфата магния MgSO 4 . Это означает, что в 100 г такого раствора содержится 25 г MgSO 4 . Здесь выделено слово “раствора”. Действительно, если мы взвесим 25 г сульфата магния и просто растворим в 100 г воды, то нужного нам раствора не получим.
Как же приготовить 25%-ный раствор? Надо взвесить на весах 25 г безводного сульфата магния и отмерить мензуркой 75 мл воды (либо взвесить на весах 75 г воды, что одно и то же). Затем сульфат магния надо высыпать в воду и перемешать до полного растворения. Получится 100 г раствора (25 г + 75 г = 100 г), в котором массовая доля сульфата магния составляет точно 25 %.
** Если для взвешивания 25 г MgSO 4 не найдется безводной соли, а в наличии окажется только более распространенный кристаллогидрат MgSO 4 . 7H 2 O, то необходимо взять больше соли. Предварительно следует рассчитать, в каком количестве MgSO 4 . 7H 2 O содержится 25 г MgSO 4 и взвесить именно это рассчитанное количество MgSO 4 ·7H 2 O. Соответственно, на приготовление такого раствора пойдет меньше воды, потому что часть ее уже имеется в кристаллогидрате.
Пример 2. Для заливки в новый автомобильный аккумулятор нужен 36%-ный раствор серной кислоты. Это означает, что в 100 г такого раствора содержится 36 г серной кислоты и 64 г воды (100 г — 36 г = 64 г.). Массовая доля серной кислоты в таком растворе составляет 36%.
Разумеется, 100 г раствора – слишком маленькое количество для автомобильного аккумулятора, поэтому приготовим 10 кг раствора. Для этого увеличим все цифры в 100 раз. Итак, нам потребуется взвесить на весах (36 г х 100) = 3600 г или 3,6 кг крепкой (безводной) серной кислоты и отмерить (64 г х 100) = 6400 г или 6,4 л дистиллированной воды.
Осторожно смешаем серную кислоту с водой (происходит сильный разогрев). Получим 10 кг 36%-ного раствора серной кислоты, который после охлаждения можно заливать в аккумулятор.
** Водитель, который не очень усердно изучал в школе химию, может легко ошибиться, взяв вместо 3,6 кг серной кислоты 3,6 л серной кислоты. В этом случае аккумулятор будет испорчен, потому что количество H 2 SO 4 в растворе окажется намного больше требуемого.
Дело в том, что серная кислота – довольно «тяжелая» жидкость, ее плотность 1,84 кг/л. Можно подсчитать, какой объем займет серная кислота массой 3,6 кг:
1 л H2 SO 4 весит 1,84 кг (плотность серной кислоты)
х л H2 SO 4 весят 3,6 кг
Отсюда х = 1 л . 3,6 кг/1,84 кг = 1,956 л – такой объем (меньше двух литров!) занимает концентрированная кислота весом 3,6 кг.
Массовую долю растворенного вещества называют также ПРОЦЕНТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ раствора.
Концентрация – это относительное количество растворенного вещества в растворе.
Помимо процентной концентрации, часто удобно пользоваться МОЛЯРНОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ .
Молярная концентрация С – это отношение количества растворенного вещества v (в молях) к объему раствора V в литрах.
Единица молярной концентрации – моль/л. Зная число молей вещества в 1 л раствора, легко отмерить нужное количество молей для реакции с помощью подходящей мерной посуды.
В качестве примера рассмотрим получение нерастворимого в воде хлорида серебра (AgCl) с помощью реакции обмена:
AgNO 3 + NaCl = Ag Cl (осадок) + Na NO 3
Кстати, не нужно запоминать, какие соли растворимы, а какие нерастворимы в воде. Для этого существует таблица растворимости (теперь она есть и в меню левого окна).
Допустим, в лаборатории имеется раствор AgNO 3 , концентрация которого 1 моль/л. Это означает, что в 1 л такого раствора содержится 1 моль нитрата серебра.
По уравнению реакции на 1 моль AgNO 3 нужен 1 моль NaCl. Следовательно, если мы смешаем одинаковые объемы растворов AgNO 3 и NaCl одинаковой концентрации 1 моль/л, то реакция пройдет до конца и в реакционной колбе окажется только раствор нитрата натрия (NaNO 3 ) в воде, а на дно сосуда выпадет осадок хлорида серебра AgCl. При этом исходных соединений в сосуде не останется.
Но как приготовить для реакции нужный раствор NaCl ? Для этого существуют специальные мерные колбы (рис. 7-4).
Рис. 7-4. Последовательность приготовления молярного раствора хлорида натрия (1моль/л NaCl): а) берут мерную колбу емкостью 1 л; б) помещают в колбу навеску кристаллического NaCl. в) в колбу добавляют немного дистиллированной воды, растворяют кристаллы и доливают раствор водой до метки 1 л, после чего тщательно перемешивают.
Мерная колба представляет собой сосуд с тонкой шейкой, на которой по стеклу нанесена кольцеобразная метка. Если заполнить мерную колбу жидкостью до метки, то ее объем составит ровно 1 л. Возьмем такую колбу и приступим к приготовлению нужного нам раствора NaCl.
Молекулярный вес NaCl составляет (23 + 35,5) = 58,5. Следовательно, молярная масса NaCl (масса 1 моль) равна 58,5 г. Взвесим это количество NaCl на весах и поместим кристаллы в мерную колбу. Затем добавим немного воды и растворим кристаллы, покачивая колбу. Когда вся соль растворится, дольем раствор водой до метки. Мерные колбы делают таким образом, что объем раствора достигает точно 1 л, когда водный мениск (уровень воды, слегка изогнутый силами поверхностного натяжения) касается метки своей нижней частью. После этого раствор аккуратно перемешаем.
** Молярную концентрацию (или МОЛЯРНОСТЬ растворов) принято обозначать буквой М. Например, раствор концентрации 1 М содержит 1 моль вещества на литр раствора. Такой раствор называют МОЛЯРНЫМ . Раствор концентрации 0,1 М содержит 0,1 моль вещества на литр раствора и называется ДЕЦИМОЛЯРНЫМ . Растворы концентрации 0,01 М (или 0,01 моль на литр) иногда называют САНТИМОЛЯРНЫМИ .
Итак, мы приготовили раствор NaCl , концентрация которого составляет 1 моль/л, то есть одномолярный или просто молярный раствор.
Молярные концентрации в общем виде иногда обозначают следующим образом:
C NaCl = 1 моль/л
При смешивании любых равных объемов молярных растворов AgNO 3 и NaCl всегда будет получаться только раствор NaNO 3 в воде и осадок AgCl , не содержащие примеси ни одного из исходных реагентов. Отфильтровав осадок и промыв его водой, мы получим чистую соль AgCl (она в воде практически не растворяется). Упарив отфильтрованный раствор, мы получим только чистый нитрат натрия NaNO 3 . Это не удивительно, потому что смешивая равные объемы растворов, мы берем одинаковое количество молей (или частей моля) реагирующих веществ. В них содержится одинаковое количество молекул AgNO 3 и NaCl , которые реагируют между собой без остатка.
На фотографии слева показан опыт, который мы обсуждаем. Видно, как при смешивании растворов исходных солей выпадает белый осадок AgCl.
Если бы мы взяли не молярные, а, например, 10%-ные растворы AgNO 3 и NaCl (одинаковые объемы), то в них бы содержалось разное число молекул этих веществ и одна из этих солей не израсходовалась бы полностью и осталась в растворе. Какая же из двух солей оказалась бы в избытке? Та, число молей которой больше. Это будет NaCl – соль с меньшим молекулярным весом, поскольку в одинаковой массе солей число более легких молекул (и молей) NaCl оказывается б о льшим.
Каждый способ выражения концентрации раствора удобен в зависимости от цели, которую преследует химик или технолог. Процентные концентрации более удобны в технике, медицине, экологии. Молярные концентрации чаще встречаются в лабораторной практике.
Источник
Урок 15. Моляльность и молярность
В уроке 15 «Моляльность и молярность» из курса «Химия для чайников» рассмотрим понятия растворитель и растворенное вещество научимся выполнять расчет молярной и моляльной концентрации, а также разбавлять растворы. Невозможно объяснить что такое моляльность и молярность, если вы не знакомы с понятием моль вещества, поэтому не поленитесь и прочитайте предыдущие уроки. Кстати, в прошлом уроке мы разбирали задачи на выход реакции, посмотрите если вам интересно.
Химикам нередко приходится работать с жидкими растворами, так как это благоприятная среда для протекания химических реакций. Жидкости легко смешивать, в отличие от кристаллических тел, а также жидкость занимает меньший объем, по сравнению с газом. Благодаря этим достоинствам, химические реакции могут осуществляться гораздо быстрее, так как исходные реагенты в жидкой среде часто сближаются и сталкиваются друг с другом. В прошлых уроках мы отмечали, что вода относится к полярным жидкостям, и потому является неплохим растворителем для проведения химических реакций. Молекулы H2O, а также ионы H + и OH — , на которых вода диссоциирована в небольшой степени, могут способствовать запуску химические реакций, благодаря поляризации связей в других молекулах или ослаблению связи между атомами. Вот почему жизнь на Земле зародилась не на суше или в атмосфере, а именно в воде.
Растворитель и растворенное вещество
Раствор может быть образован путем растворения газа в жидкости или твердого тела в жидкости. В обоих случаях жидкость является растворителем, а другой компонент — растворенное вещество. Когда раствор образован путем смешивания двух жидкостей, растворителем считается та жидкость, которая находится в большем количестве, иначе говоря имеет бОльшую концентрацию .
Расчет концентрации раствора
Молярная концентрация
Концентрацию можно выражать по разному, но наиболее распространенный способ — указание его молярности. Молярная концентрация (молярность) — это число молей растворенного вещества в 1 литре раствора . Единица молярности обозначается символом M. Например два моля соляной кислоты на 1 литр раствора обозначается 2 М HCl. Кстати, если на 1 литр раствора приходится 1 моль растворенного вещества, тогда раствор называется одномолярным. Молярная концентрация раствора обозначается различными символами:
- c x , С мx , [x], где x — растворенное вещество
Формула для вычисления молярной концентрации (молярности):
где n — количество растворенного вещества в молях, V — объем раствора в литрах.
Пару слов о технике приготовления растворов нужной молярности. Очевидно, что если добавить к одному литру растворителя 1 моль вещества, общий объем раствора будет чуть больше одного литра, и потому будет ошибкой считать полученный раствор одномолярным. Чтобы этого избежать, первым делом добавляем вещество, а только потом доливаем воду, пока суммарный объем раствора не будет равным 1 л. Полезно будет запомнить приближенное правило аддитивности объемов, которое гласит, что объем раствора приближенно равен сумме объемов растворителя и растворенного вещества. Растворы многих солей приближенно подчиняются данному правилу.
Пример 1. Химичка дала задание растворить в литре воды 264 г сульфата аммония (NH4)2SO4, а затем вычислить молярность полученного раствора и его объем, основываясь на предположении об аддитивности объемов. Плотность сульфата аммония равна 1,76 г/мл.
- 264 г / 1,76 г/мл = 150 мл = 0,150 л
Пользуясь правилом аддитивности объемов, найдем окончательный объем раствора:
Число молей растворенного сульфата аммония равно:
- 264 г / 132 г/моль = 2,00 моля ( NH 4 ) 2 SO 4
Завершающий шаг! Молярность раствора равна:
Приближенным правилом аддитивности объемов можно пользоваться только для грубой предварительной оценки молярности раствора. Например, в примере 1, объем полученного раствора на самом деле имеет молярную концентрацию равную 1,8 М, т.е погрешность наших расчетов составляет 3,3%.
Моляльная концентрация
Наряду с молярностью, химики используют моляльность, или моляльную концентрацию, в основе которой учитывается количество использованного растворителя, а не количество образующегося раствора. Моляльная концентрация — это число молей растворенного вещества в 1 кг растворителя (а не раствора!). Моляльность выражается в моль/кг и обозначается маленькой буквой m. Формула для вычисления моляльной концентрации:
где n — количество растворенного вещества в молях, m — масса растворителя в кг
Для справки отметим, что 1 л воды = 1 кг воды, и еще, 1 г/мл = 1 кг/л.
Пример 2. Химичка попросила определить моляльность раствора, полученного при растворении 5 г уксусной кислоты C2H4O2 в 1 л этанола. Плотность этанола равна 0,789 г/мл.
Число молей уксусной кислоты в 5 г равно:
Масса 1 л этанола равна:
- 1,000 л × 0,789 кг/л = 0,789 кг этанола
Последний этап. Найдем моляльность полученного раствора:
- 0,833 моля / 0,789 кг растворителя = 0,106 моль/кг
Единица моляльности обозначается Мл, поэтому ответ также можно записать 0,106 Мл.
Разбавление растворов
В химической практике часто занимаются разбавлением растворов, т.е добавлением растворителя. Просто нужно запомнить, что число молей растворенного вещества при разбавлении раствора остается неизменным . И еще запомните формулу правильного разбавления раствора:
- Число молей растворенного вещества = c 1 V 1 = c 2 V 2
где с 1 и V 1 — молярная концентрация и объем раствора до разбавления, с 2 и V 2 — молярная концентрация и объем раствора после разбавления. Рассмотрите задачи на разбавление растворов:
Пример 3. Определите молярность раствора, полученного разбавлением 175 мл 2,00 М раствора до 1,00 л.
В условие задача указаны значения с 1 , V 1 и V 2 , поэтому пользуясь формулой разбавления растворов, выразим молярную концентрацию полученного раствора с 2
- с 2 = c 1 V 1 / V 2 = (2,00 М × 175 мл) / 1000 мл = 0,350 М
Пример 4 самостоятельно. До какого объема следует разбавить 5,00 мл 6,00 М раствора HCl, чтобы его молярность стала 0,1 М?
Ответ: V 2 = 300 мл
Без сомнения, вы и сами догадались, что урок 15 «Моляльность и молярность» очень важный, ведь 90% все лабораторных по химии связаны с приготовлением растворов нужной концентрации. Поэтому проштудируйте материал от корки до корки. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Источник