Теоретическая часть
В лабораториях и промышленности чаще имеют дело не с индивидуальными веществами, а с гетерогенными или гомогенными смесями двух и более веществ. Растворами называются термодинамически устойчивые равновесные гомогенные системы, состоящие из двух или более компонентов, G растворов=0. Компонент раствора, концентрация которого выше других компонентов, является растворителем. Растворитель сохраняет свое фазовое состояние при образовании раствора. Различают газовые, жидкие и твердые растворы. Жидкие растворы имеют наибольшее распространение и применение.
Способы выражения концентрации растворов
Концентрацией называют отношение количества (моль) или массы (г) вещества, содержащегося в растворе, к объему или массе раствора либо растворителя. Наиболее распространены следующие способы выражения концентрации растворов:
массовая доля (), или процентная концентрация (%),
молярная концентрация (СМ, моль/л),
моляльная концентрация (Сm, моль/кг),
эквивалентная, или нормальная, концентрация (СН, моль-экв/л),
молярная доля растворенного вещества в растворе (N),
титр раствора (Т, г/мл).
Массовая доля (), или процентная концентрация, показывает число единиц массы растворенного вещества (например, грамм), содержащееся в 100 таких же единицах массы раствора. Она равна отношению массы растворенного вещества (mв) к массе раствора (mр-ра) и чаще всего выражается в процентах
, % .
(1)
Молярная концентрация (СМ), или молярность, показывает число молей растворенного вещества, содержащееся в 1 л раствора. Она равна отношению количества растворенного вещества к объему раствора
,
моль/л,
(2)
где тв – масса растворенного вещества, г;
М – молярная масса растворенного вещества, г/моль;
V – объем раствора, л.
Моляльная концентрация (Сm), или моляльность, показывает число молей растворенного вещества, содержащееся в 1 кг растворителя. Она равна отношению количества растворенного вещества к массе растворителя
,
моль/кг, (3)
где mр-ля – масса растворителя, кг.
Нормальная концентрация (СН), или молярная концентрация эквивалента, показывает число моль-эквивалентов растворенного вещества, содержащееся в 1 л раствора. Она равна отношению количества моль-эквивалентов растворенного вещества к объему раствора
, моль-экв/л,
(4)
где Эв – моль-эквивалент растворенного вещества, г/моль.
Мольная доля (Ni) – это отношение числа молей i-го компонента раствора (i) к общему числу молей всех компонентов раствора
.
(5)
В случае двухкомпонентного раствора мольная доля растворенного вещества (N1) равна
,
(6)
где 1 – число молей растворенного вещества, 2 – число молей растворителя.
Мольная доля растворителя (N2) равна
.
(7)
Титр раствора (Т) показывает число граммов растворенного вещества, содержащееся в 1 мл (1 см3) раствора. Он равен отношению массы растворенного вещества (тв, г) к объему раствора (V, мл)
,
г/мл, (8)
где тв = СН Э.
Ареометр (рис. 1-а) – это стеклянный поплавок, предназначенный для измерения плотности жидкости. В нижней, расширенной части его, находится груз (дробь), благодаря которому ареометр, погруженный в жидкость, поддерживается в вертикальном положении. Верхняя суженная часть ареометра снабжена шкалой, деления которой соответствуют различным значениям плотности. Отсчет показаний по шкале проводят сверху с точностью до третьего знака. Деление, до которого ареометр погружается в жидкость и при этом не касается дна цилиндра, указывает плотность (отсчет по нижнему краю мениска).
Мерные колбы (рис. 1-б) применяют для приготовления определенного объема раствора путем растворения вещества в растворителе или для разбавления растворов в точно определенном соотношении. Это колба с длинным узким горлом, имеющим метку. На колбе указаны объем жидкости (при заполнении до метки) и температура градуировки.
Бюретка (рис. 1-в) представляет собой градуированную стеклянную трубку с оттянутым нижним концом, которая имеет внизу кран или другое приспособление, позволяющее приливать жидкость по каплям. Часто применяют бюретки со стеклянным шариком, вставленным в резиновую трубку. При сжимании этой трубки с боков пальцами около шарика создается канал, через который протекает жидкость. Сжимая трубку сильнее или слабее, можно регулировать вытекание жидкости. При работе с бюретками нужно следить за тем, чтобы в “носике” ее нижнего конца не было пузырька воздуха. Из бюретки с краном пузырек обычно выходит при быстром вытекании жидкости. Для удаления пузырька из бюретки с шариком резиновую трубку изгибают так, чтобы “носик” был направлен вверх, тогда при сжимании трубки около шарика и подаче жидкости пузырек выходит.
Рис. 1. Мерная посуда:
а – ареометр, б – мерная колба, в – бюретка; г – мерный цилиндр; д – пипетка
Жидкость в бюретку наливают через маленькую воронку. После наполнения бюретки воронку вынимают, так как оставшиеся в ней капли могут стечь и исказить результат. Не нужно стараться заполнить бюретку точно до нулевого деления. Всегда наливают больше жидкости, а затем ее избыток постепенно сливают, подводя край мениска точно к нулевому делению.
Уровень жидкости в бюретке отсчитывают по нижнему краю мениска (если жидкость прозрачная), глаз при этом должен находиться приблизительно на той же высоте, что и мениск.
Мерным цилиндром (рис. 1-г) приближенно измеряют объемы.
Пипетка (рис. 1-д) служит для отбора жидкости строго определенного объема. Это стеклянная трубка с оттянутым концом и часто с расширением посередине. На пипетке указан объем, соответствующий заполнению ее до метки. Для заполнения пипетки нижний конец ее опускают в раствор и засасывают раствор с помощью резиновой груши через верхнее отверстие. Когда уровень жидкости окажется выше метки, быстро зажимают верхнее отверстие пипетки указательным пальцем. Понемногу отпуская указательный палец, дают жидкости вытечь до метки. После этого вводят оттянутый конец пипетки в тот сосуд, куда нужно слить пробу и, приподняв указательный палец, дают жидкости вытечь из пипетки. Для удаления последней капли, оставшейся в «носике» пипетки после слива жидкости, нужно прикоснуться «носиком» пипетки к внутренней поверхности колбы для титрования для вытекания последней капли.
Пипетку следует держать безымянным, средним и большим пальцами, а указательным закрывать и открывать отверстие. Нельзя брать пипетку в кулак и закрывать отверстие большим пальцем, что часто делают начинающие.
Между плотностью раствора и концентрацией растворенного вещества существует определенная зависимость. Для наиболее часто применяемых кислот, растворимых оснований и солей эта зависимость установлена и приводится в справочниках в виде таблиц. В табл. 1 представлены плотности растворов серной кислоты и едкого натра разных концентраций (%).
Таблица 1
Плотность растворов серной кислоты и едкого натра
различных концентраций при 15 оС
-
H2SO4
NaOH
плотность, г/см3
концентрация, %
плотность, г/см3
концентрация, %
1,220
30,18
1,220
20,07
1,245
33,22
1,240
21,90
1,270
36,19
1,260
23,73
1,295
39,10
1,280
25,56
1,320
41,95
1,300
27,41
1,345
44,72
1,320
29,26
1,375
47,92
1,340
31,14
1,400
50,50
1,360
33,06
1,430
53,50
1,370
34,03
1,460
56,41
1,380
35,01
1,490
59,24
1,390
36,00
1,520
62,00
1,400
36,99
1,555
65,15
1,410
37,99
1,590
68,23
1,420
38,99
1,615
70,39
1,430
40,00
1,645
72,95
1,440
41,03
1,680
75,92
1,450
42,07
1,715
78,93
1,460
43,12
1,750
82,09
1,470
44,17
1,780
85,16
1,480
45,22
1,805
88,43
1,490
46,27
1,820
91,11
1,500
47,33
1,827
92,77
1,510
48,38
1,831
93,94
1,520
49,44
1,835
95,72
1,530
50,50