STĘŻENIE CHEMICZNE: WYRAŻENIE, JEDNOSTKI, MOLALNOŚĆ - CHEMIA - 2026

Stężenie chemiczne jest liczbową miarą względnej ilości substancji rozpuszczonej w roztworze. Ten pomiar wyraża stosunek substancji rozpuszczonej do ilości lub objętości rozpuszczalnika lub roztworu w jednostkach stężenia. Termin „stężenie” jest związany z ilością obecnej substancji rozpuszczonej: roztwór będzie tym bardziej stężony, im więcej będzie miał substancji rozpuszczonej.

Jednostki te mogą być fizyczne, gdy uwzględniane są wielkości masy i / lub objętości składników roztworu lub chemikaliów, gdy stężenie substancji rozpuszczonej jest wyrażane w liczbie moli lub równoważników, biorąc za odniesienie liczbę Avogadro.

Leiem, źródło Wikimedia Commons

Tak więc, stosując masy cząsteczkowe lub atomowe oraz liczbę Avogadro, można przekształcić jednostki fizyczne w jednostki chemiczne przy wyrażaniu stężenia danej substancji rozpuszczonej. Dlatego wszystkie jednostki można przekonwertować na to samo rozwiązanie.

Rozcieńczone i skoncentrowane roztwory

Jak rozpoznać, czy stężenie jest bardzo rozcieńczone czy skoncentrowane? Na pierwszy rzut oka przejawem jakichkolwiek właściwości organoleptycznych lub chemicznych; to znaczy te, które dostrzegają zmysły lub które można zmierzyć.

Górny obraz przedstawia rozcieńczenie stężenia dichromianu potasu (K ₂ Cr ₂ O ₇ ), który ma kolor pomarańczowy. Od lewej do prawej widać, jak intensywność koloru zmniejsza się w miarę rozcieńczania stężenia, dodając więcej rozpuszczalnika.

To rozcieńczenie umożliwia otrzymanie w ten sposób rozcieńczonego stężenia ze stężonego. Kolor (i inne „ukryte” właściwości pomarańczowego rdzenia) zmienia się w taki sam sposób, jak zmienia się jego stężenie, zarówno w przypadku jednostek fizycznych, jak i chemicznych.

Ale jakie są chemiczne jednostki stężenia? Wśród nich jest molarność lub stężenie molowe roztworu, które wiąże liczbę moli substancji rozpuszczonej z całkowitą objętością roztworu w litrach.

Istnieje również molalność lub też nazywane stężeniem molowym, które odnosi się do moli substancji rozpuszczonej, ale które są zawarte w znormalizowanej ilości rozpuszczalnika lub rozpuszczalnika, która wynosi dokładnie jeden kilogram.

Rozpuszczalnik ten może być czysty lub jeśli roztwór zawiera więcej niż jeden rozpuszczalnik, molalność będzie równa liczbie moli substancji rozpuszczonej na kilogram mieszaniny rozpuszczalników.

Trzecią jednostką stężenia chemicznego jest normalne lub normalne stężenie roztworu, które wyraża liczbę równoważników chemicznych substancji rozpuszczonej na litr roztworu.

Jednostką, w której wyrażana jest normalność, jest ekwiwalent na litr (Eq / l), aw medycynie stężenie elektrolitów w surowicy ludzkiej wyrażane jest w miliekwiwalentach na litr (mEq / l).

Sposoby wyrażania koncentracji

Stężenie roztworu można oznaczyć trzema głównymi sposobami, mimo że same mają one dużą różnorodność terminów i jednostek, które można wykorzystać do wyrażenia miary tej wartości: opis jakościowy, notacja ilościowa i klasyfikacja w kategoriach rozpuszczalność.

W zależności od języka i kontekstu, w którym pracujesz, zostanie wybrany jeden z trzech sposobów wyrażenia stężenia mieszaniny.

Opis jakościowy

Użyty głównie w języku nieformalnym i nietechnicznym, jakościowy opis stężenia mieszaniny jest wyrażony w postaci przymiotników, które w sposób uogólniony wskazują na poziom koncentracji roztworu.

Zatem minimalny poziom stężenia zgodnie z opisem jakościowym to roztwór „rozcieńczony”, a maksymalny to poziom „stężonego”.

O roztworach rozcieńczonych mówimy, gdy roztwór ma bardzo niski udział substancji rozpuszczonej w funkcji całkowitej objętości roztworu. Jeśli chcesz rozcieńczyć roztwór, dodaj więcej rozpuszczalnika lub znajdź sposób na zmniejszenie ilości substancji rozpuszczonej.

Teraz mówimy o stężonych roztworach, gdy mają one wysoki udział substancji rozpuszczonej w funkcji całkowitej objętości roztworu. Aby zatężyć roztwór, dodaj więcej substancji rozpuszczonej lub zmniejsz ilość rozpuszczalnika.

W tym sensie klasyfikacja ta nazywana jest opisem jakościowym, nie tylko ze względu na brak miar matematycznych, ale także ze względu na jej jakość empiryczną (można ją przypisać cechom wizualnym, zapachom i smakom, bez konieczności przeprowadzania badań naukowych).

Klasyfikacja według rozpuszczalności

Rozpuszczalność stężenia oznacza maksymalną pojemność substancji rozpuszczonej, jaką posiada roztwór, w zależności od warunków, takich jak temperatura, ciśnienie i substancje rozpuszczone lub w zawiesinie.

Roztwory można podzielić na trzy typy w zależności od poziomu rozpuszczonej substancji rozpuszczonej w czasie pomiaru: roztwory nienasycone, nasycone i przesycone.

- Roztwory nienasycone to takie, które zawierają mniejszą ilość substancji rozpuszczonej niż roztwór może się rozpuścić. W tym przypadku roztwór nie osiągnął maksymalnego stężenia.

- Roztwory nasycone to takie, w których maksymalna możliwa ilość substancji rozpuszczonej została rozpuszczona w rozpuszczalniku w określonej temperaturze. W takim przypadku istnieje równowaga między obiema substancjami, a roztwór nie może przyjąć większej ilości substancji rozpuszczonej (ponieważ będzie się wytrącać).

- Roztwory przesycone mają więcej substancji rozpuszczonych niż roztwór zaakceptowałby w warunkach równowagi. Osiąga się to przez ogrzewanie nasyconego roztworu, dodając więcej substancji rozpuszczonej niż normalnie. Po schłodzeniu nie wytrąca substancji rozpuszczonej automatycznie, ale wszelkie zakłócenia mogą spowodować ten efekt ze względu na jej niestabilność.

Notacja ilościowa

Podczas badania roztworu do zastosowania w dziedzinie technicznej lub naukowej wymagana jest dokładność mierzona i wyrażana w jednostkach, które opisują stężenie zgodnie z jego dokładnymi wartościami masy i / lub objętości.

Dlatego istnieje szereg jednostek używanych do wyrażenia stężenia roztworu w jego zapisie ilościowym, które są podzielone na fizyczne i chemiczne, a które z kolei mają własne podziały.

Jednostkami stężenia fizycznego są jednostki „stężenia względnego”, które są wyrażone w procentach. Istnieją trzy sposoby wyrażania stężeń procentowych: procenty masowe, procenty objętościowe i procenty masowo-objętościowe.

Zamiast tego jednostki stężeń substancji chemicznych są oparte na ilościach molowych, równoważnikach gramów, częściach na milion i innych właściwościach substancji rozpuszczonej w stosunku do roztworu.

Jednostki te są najczęściej spotykane ze względu na ich wysoką precyzję podczas pomiaru stężeń iz tego powodu są to najczęściej te, które chcesz znać podczas pracy z roztworami chemicznymi.

Jednostki stężenia

Jak opisano w poprzednich rozdziałach, przy ilościowym określaniu stężenia roztworu, obliczenia należy kierować do istniejących jednostek do tego celu.

Podobnie, jednostki stężeń są podzielone na jednostki o stężeniu względnym, o stężeniach rozcieńczonych, te oparte na molach i dodatkowe.

Względne jednostki stężenia

Względne stężenia to te wyrażone w procentach, jak podano w poprzedniej sekcji. Jednostki te są podzielone na procent masowo-masowy, objętościowo-objętościowy i masowo-objętościowy i obliczane w następujący sposób:

-% masy = masa substancji rozpuszczonej (g) / masa roztworu całkowitego (g) x 100

-% objętości = objętość substancji rozpuszczonej (ml) / objętość całego roztworu (ml) x 100

-% masy / objętości = masa substancji rozpuszczonej (g) / objętość całkowitego roztworu (ml) x 100

W takim przypadku, aby obliczyć masę lub objętość całkowitego roztworu, masę lub objętość substancji rozpuszczonej należy dodać wraz z masą lub objętością rozpuszczalnika.

Jednostki rozcieńczonego stężenia

Jednostki rozcieńczonego stężenia to takie, które są używane do wyrażenia tych bardzo małych stężeń, które występują w postaci śladowych ilości w rozcieńczonym roztworze; najczęstszym zastosowaniem tych jednostek jest znajdowanie śladowych ilości jednego gazu rozpuszczonego w innym, na przykład środków zanieczyszczających powietrze.

Jednostki te są wymienione w postaci części na milion (ppm), części na miliard (ppb) i części na bilion (ppt) i są wyrażone w następujący sposób:

- ppm = 1 mg substancji rozpuszczonej / 1 l roztworu

- ppb = 1 μg substancji rozpuszczonej / 1 l roztworu

- ppt = 1 ng substancji rozpuszczonej / 1 l roztworu

W tych wyrażeniach mg jest równe miligramom (0,001 g), μg jest równe mikrogramom (0,000001 g), a ng jest równe nanogramom (0,000000001 g). Jednostki te można również wyrazić jako objętość / objętość.

Jednostki stężenia jako funkcja moli

Jednostkami stężenia opartymi na molach są jednostki ułamka molowego, procent molowy, molarność i molowość (te dwie ostatnie są lepiej opisane na końcu artykułu).

Ułamek molowy substancji to ułamek wszystkich jej cząsteczek (lub atomów) składowych jako funkcja wszystkich cząsteczek lub atomów. Jest obliczany w następujący sposób:

X _A = liczba moli substancji A / całkowita liczba moli w roztworze

Tę procedurę powtarza się dla innych substancji w roztworze, biorąc pod uwagę, że suma X _A + X _B + X _C … musi być równa jeden.

Procent moli jest przetwarzany w podobny sposób jak X _A , tylko w ujęciu procentowym:

Procent molowy A = X _A x 100%

W ostatniej części omówimy szczegółowo molarność i molalność.

Formalność i normalność

Wreszcie istnieją dwie jednostki koncentracji, które są obecnie nieużywane: formalność i normalność.

Formalność rozwiązania reprezentuje liczbę gramów receptury wagowej na litr całego roztworu. Wyraża się jako:

F = Nie. Roztwór PFG / L

W tym wyrażeniu PFG jest równe wadze każdego atomu substancji wyrażonej w gramach.

Zamiast tego normalność oznacza liczbę równoważników substancji rozpuszczonych podzieloną przez litry roztworu, jak podano poniżej:

N = równoważne gramy substancji rozpuszczonej / l roztworu

W tym wyrażeniu równoważne gramy substancji rozpuszczonej można obliczyć na podstawie liczby moli H ⁺ , OH ^- lub innymi metodami, w zależności od rodzaju cząsteczki.

Molarność

Molarność lub stężenie molowe substancji rozpuszczonej to jednostka stężenia chemicznego, która wyraża lub odnosi się do liczby moli substancji rozpuszczonej (n) zawartej w jednym (1) litrze (L) roztworu.

Molarność jest oznaczona wielką literą M i aby określić liczbę moli substancji rozpuszczonej (n), gramy substancji rozpuszczonej (g) dzieli się przez masę cząsteczkową (MW) substancji rozpuszczonej.

Podobnie masę cząsteczkową MW substancji rozpuszczonej otrzymuje się z sumy mas atomowych (PA) lub mas atomowych pierwiastków chemicznych, biorąc pod uwagę proporcje, w jakich łączą się one tworząc substancję rozpuszczoną. Tak więc różne substancje rozpuszczone mają swoje własne PM (chociaż nie zawsze tak jest).

Definicje te podsumowano w następujących wzorach używanych do wykonywania odpowiednich obliczeń:

Molarność: M = n (mole substancji rozpuszczonej) / V (litr roztworu)

Liczba moli: n = g substancji rozpuszczonej / MW substancji rozpuszczonej

Ćwiczenie 1

Obliczyć molarność roztworu przygotowanego z 45 g Ca (OH) ₂ rozpuszczonego w 250 ml wody.

Pierwszą rzeczą do obliczenia jest masa cząsteczkowa Ca (OH) ₂ (wodorotlenku wapnia). Zgodnie ze wzorem chemicznym związek składa się z kationu wapnia i dwóch anionów hydroksylowych. Tutaj waga elektronu mniejszego lub dodatkowego w stosunku do gatunku jest pomijalna, więc bierze się masy atomowe:

Źródło: Gabriel Bolívar

Liczba moli substancji rozpuszczonej będzie zatem wynosić:

n = 45 g / (74 g / mol)

n = 0,61 mola Ca (OH) ₂

Otrzymuje się 0,61 mola substancji rozpuszczonej, ale należy pamiętać, że te mole są rozpuszczone w 250 ml roztworu. Ponieważ definicja molarności to liczba moli w litrze lub 1000 ml, należy zastosować prostą regułę trzech, aby obliczyć liczbę moli w 1000 ml wspomnianego roztworu.

Jeśli w 250 ml roztworu jest => 0,61 mola substancji rozpuszczonej

W 1000 ml roztworu => x Ile jest moli?

x = (0,61 mola) (1000 ml) / 250 ml

X = 2,44 M (mol / l)

Inny sposób

Innym sposobem uzyskania moli do zastosowania wzoru jest przeliczenie 250 ml na litry, również stosując regułę trzech:

Jeśli 1000 ml => to 1 litr

250 ml => x Ile to litrów?

x = (250 ml) (1 l) / 1000 ml

x = 0,25 l

Podstawiając następnie we wzorze Molarity:

M = (0,61 mola substancji rozpuszczonej) / (0,25 l roztworu)

M = 2,44 mol / l

Ćwiczenie 2

Co to znaczy, że roztwór HCl ma 2,5 M?

Roztwór HCl ma 2,5 mola, to znaczy w jednym litrze rozpuszczono 2,5 mola kwasu solnego.

Normalna

Normalność lub stężenie równoważne to jednostka stężenia chemicznego roztworów oznaczona wielką literą N. Ta jednostka stężenia wskazuje reaktywność substancji rozpuszczonej i jest równa liczbie równoważników substancji rozpuszczonej (równ.) Podzielonej przez objętość roztworu wyrażoną w litrach.

N = Eq / L

Liczba równoważników (Eq) jest równa liczbie gramów substancji rozpuszczonej podzielonej przez równoważnik masy (PEq).

Eq = g substancji rozpuszczonej / PEq

Ciężar równoważny, zwany również równoważnikiem gramowym, oblicza się, uzyskując masę cząsteczkową substancji rozpuszczonej i dzieląc ją przez równoważny współczynnik, który dla celów podsumowania w równaniu nazywa się delta zeta (ΔZ).

PEq = PM / ΔZ

Obliczenie

Obliczenie normalności będzie miało bardzo specyficzną zmienność współczynnika równoważnego lub ΔZ, która zależy również od rodzaju reakcji chemicznej, w której uczestniczy substancja rozpuszczona lub reaktywna. Niektóre przypadki tej odmiany można wymienić poniżej:

-Jeśli jest to kwas lub zasada, ΔZ lub równoważny współczynnik będzie równy liczbie jonów wodoru (H ⁺ ) lub hydroksylo OH ^-, które ma substancja rozpuszczona. Na przykład kwas siarkowy (H ₂ SO ₄ ) ma dwa równoważniki, ponieważ ma dwa kwasowe protony.

-Jeśli chodzi o reakcje utleniania-redukcji, ΔZ będzie odpowiadać liczbie elektronów zaangażowanych w proces utleniania lub redukcji, w zależności od konkretnego przypadku. Tutaj w grę wchodzi zbilansowanie równań chemicznych i specyfikacja reakcji.

-Również ten równoważny współczynnik lub ΔZ będzie odpowiadał liczbie jonów, które wytrącają się w reakcjach sklasyfikowanych jako wytrącanie.

Ćwiczenie 1

Określić normalność 185 g Na ₂ SO ₄ znajdującą się w 1,3 l roztworu.

Najpierw zostanie obliczona masa cząsteczkowa substancji rozpuszczonej w tym roztworze:

Źródło: Gabriel Bolívar

Drugim krokiem jest obliczenie współczynnika równoważnego lub ΔZ. W tym przypadku, ponieważ siarczan sodu jest solą, ^{rozważa się} wartościowość lub ładunek kationu lub metalu Na ⁺ , który zostanie pomnożony przez 2, co jest indeksem dolnym wzoru chemicznego soli lub substancji rozpuszczonej:

Na ₂ SO ₄ => ∆Z = kation Valencia x indeks dolny

∆Z = 1 x 2

Aby uzyskać równoważną wagę, należy ją podstawić w odpowiednim równaniu:

PEq = (142,039 g / mol) / (2 Eq / mol)

PEq = 71,02 g / równ

Następnie możesz przystąpić do obliczenia liczby równoważników, ponownie stosując inne proste obliczenia:

Równanie = (185 g) / (71,02 g / równ.)

Liczba ekwiwalentów = 2,605 równ

Wreszcie, mając wszystkie niezbędne dane, normalność oblicza się teraz, zastępując zgodnie z jej definicją:

N = 2,605 Eq / 1,3 l

N = 2,0 N.

Molalność

Molalność jest oznaczona małą literą m i jest równa liczbie moli substancji rozpuszczonej obecnej w jednym (1) kilogramie rozpuszczalnika. Jest również znane jako stężenie molowe i jest obliczane przy użyciu następującego wzoru:

m = liczba moli substancji rozpuszczonej / kg rozpuszczalnika

Podczas gdy Molarity określa stosunek moli substancji rozpuszczonej zawartej w jednym (1) litrze roztworu, molowość odnosi się do moli substancji rozpuszczonej występującej w jednym (1) kilogramie rozpuszczalnika.

W tych przypadkach, gdy roztwór jest przygotowywany z więcej niż jednego rozpuszczalnika, molalność będzie wyrażać ten sam mol substancji rozpuszczonej na kilogram mieszaniny rozpuszczalników.

Ćwiczenie 1

Określić molalność roztworu, który został przygotowany przez zmieszanie 150 g sacharozy (C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ ) z 300 g wody.

Najpierw określa się masę cząsteczkową sacharozy, aby przejść do obliczenia moli substancji rozpuszczonej w tym roztworze:

Źródło: Gabriel Bolívar

Oblicza się liczbę moli sacharozy:

n = (150 g sacharozy) / (342,109 g / mol)

n = 0,438 mola sacharozy

Gramy rozpuszczalnika są następnie przeliczane na kilogramy w celu zastosowania ostatecznego wzoru.

Zastępując wtedy:

m = 0,438 mola sacharozy / 0,3 kg wody

m = 1,46 mol C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ / kg H ₂ O

Chociaż obecnie toczy się debata na temat ostatecznego wyrażenia molalności, wynik ten można również wyrazić jako:

1,26 m C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ lub 1,26 mol

Czasami uważa się za korzystne wyrażanie stężenia roztworu w kategoriach molowych, ponieważ masy substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika nie ulegają niewielkim fluktuacjom lub niewidocznym zmianom z powodu wpływu temperatury lub ciśnienia; jak to ma miejsce w roztworach z gazową substancją rozpuszczoną.

Ponadto zwraca się uwagę, że ta jednostka stężenia odnosząca się do określonej substancji rozpuszczonej pozostaje niezmieniona przez istnienie innych substancji rozpuszczonych w roztworze.

Zalecenia i ważne uwagi dotyczące stężenia substancji chemicznych

Objętość roztworu jest zawsze większa niż rozpuszczalnika

W miarę rozwiązywania zadań z roztworem pojawia się błąd interpretacji objętości roztworu tak, jakby była to objętość rozpuszczalnika. Na przykład, jeśli jeden gram sproszkowanej czekolady zostanie rozpuszczony w jednym litrze wody, objętość roztworu nie będzie równa objętości jednego litra wody.

Dlaczego nie? Ponieważ substancja rozpuszczona zawsze będzie zajmować przestrzeń między cząsteczkami rozpuszczalnika. Gdy rozpuszczalnik ma duże powinowactwo do substancji rozpuszczonej, zmiana objętości po rozpuszczeniu może być pomijalna lub nieistotna.

Ale jeśli nie, a tym bardziej, jeśli ilość substancji rozpuszczonej jest duża, należy wziąć pod uwagę zmianę objętości. Będąc w ten sposób: Vsolvent + Vsolute = Vsolution. Tylko w rozcieńczonych roztworach lub gdy ilość substancji rozpuszczonej jest mała, obowiązuje Vsolvent = Vsolution.

Należy pamiętać o tym błędzie, zwłaszcza podczas pracy z ciekłymi substancjami rozpuszczonymi. Na przykład, jeśli zamiast rozpuszczać proszek czekoladowy, rozpuszczając miód w alkoholu, to ilość dodanego miodu będzie miała znaczący wpływ na całkowitą objętość roztworu.

Dlatego w takich przypadkach objętość substancji rozpuszczonej należy dodać do objętości rozpuszczalnika.

Użyteczność molarności

- Znajomość molarności stężonego roztworu pozwala na wykonanie obliczeń rozcieńczenia przy użyciu prostego wzoru M1V1 = M2V2, gdzie M1 odpowiada początkowej molarności roztworu, a M2 molarności roztworu, który ma być przygotowany z roztworu z M1.

-Znając Molarność roztworu, jego normalność można łatwo obliczyć za pomocą następującego wzoru: Normalność = liczba równoważników x M

Formuły nie są zapamiętywane, ale jednostki lub definicje są

Jednak czasami pamięć zawodzi podczas próby zapamiętania wszystkich równań związanych z obliczeniami stężenia. W tym celu bardzo przydatne jest bardzo jasne określenie każdego pojęcia.

Począwszy od definicji, jednostki są zapisywane przy użyciu współczynników konwersji, aby wyrazić te, które odpowiadają temu, co ma zostać określone.

Na przykład, jeśli masz molalność i chcesz przekonwertować ją na normalną, wykonaj następujące czynności:

(mol / kg rozpuszczalnika) x (kg / 1000g) (g rozpuszczalnika / ml) (ml rozpuszczalnika / ml roztworu) (1000ml / l) (Eq / mol)

Należy zauważyć, że (g rozpuszczalnika / ml) to gęstość rozpuszczalnika. Termin (ml rozpuszczalnika / ml roztworu) odnosi się do tego, ile objętości roztworu faktycznie odpowiada rozpuszczalnikowi. W wielu ćwiczeniach ten ostatni człon jest równy 1 ze względów praktycznych, chociaż nigdy nie jest to do końca prawdą.

Bibliografia

1. Wprowadzające Chemistry- 1 ^st Canadian Edition. Ilościowe jednostki stężenia. Rozdział 11 Rozwiązania. Zaczerpnięte z: opentextbc.ca
2. Wikipedia. (2018). Równoważne stężenie. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org
3. PharmaFactz. (2018). Co to jest molarność? Zaczerpnięte z: pharmafactz.com
4. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, str. 101-103, 512, 513.
5. Roztwory wodne - molarność. Zaczerpnięte z: chem.ucla.edu
6. Quimicas.net (2018). Przykłady normalności. Odzyskany z: quimicas.net.