Моларност, разреждане и стехиометрия на разтворите

Моларността брои молове на литър разтвор

Моларността, наричана още количествена концентрация, е количеството разтворено вещество в молове, разделено на обема на разтвора в литри: c = n/V, в mol/L, често записвано като M. Разтвор на глюкоза с концентрация 0.250 mol/L съдържа 0.250 mol глюкоза във всеки литър от крайния разтвор. Квадратните скоби означават моларната концентрация на дадена частица, както в [Cl⁻].

Обемът е обемът на разтвора, а не на разтворителя. Разтварянето на вещество в точно 1.000 L вода по принцип дава общ обем, който не е 1.000 L, затова разтворите се допълват до калибрирана марка в мерителна колба, а не чрез добавяне на измерен обем вода.

При силен електролит концентрациите на йоните следват от формулата. Разтвор на CaCl₂ с концентрация 0.150 mol/L е 0.150 mol/L по Ca²⁺ и 0.300 mol/L по Cl⁻, защото всяка формулна единица отдава два хлоридни йона. Моларността се променя леко и с температурата, тъй като разтворите се разширяват при загряване.

Приготвяне на разтвор от претеглено твърдо вещество

Необходимото количество е n = c × V, а масата за претегляне е n × M, където M е моларната маса. Претеглете твърдото вещество, разтворете го в по-малко вода от крайния обем, прехвърлете го в мерителна колба, като изплакнете чашата в колбата, допълнете до марката и разбъркайте чрез обръщане.

Решен пример: пригответе 250.0 mL меден(II) сулфат с концентрация 0.0800 mol/L от сини кристали на меден(II) сулфат пентахидрат, CuSO₄·5H₂O. Със стандартните атомни тегла на IUPAC, закръглени до два десетични знака (Cu 63.55, S 32.06, O 16.00, H 1.01), моларната маса на хидрата е 63.55 + 32.06 + 4(16.00) + 5(18.02) = 249.71 g/mol.

n = 0.0800 mol/L × 0.2500 L = 0.02000 mol. Маса = 0.02000 mol × 249.71 g/mol = 4.994 g, така че претеглете 4.99 g от пентахидрата. Всяка формулна единица пак дава един Cu²⁺ и един SO₄²⁻, но кристализационната вода се добавя към масата, която претегляте. Ако бяхте използвали моларната маса на безводната сол, 159.61 g/mol, и бяхте претеглили 3.19 g от хидрата, разтворът щеше да е само 0.0511 mol/L, около 36% по-разреден.

Разреждане на изходен разтвор с C₁V₁ = C₂V₂

Добавянето на разтворител променя обема, но не и количеството разтворено вещество. Тъй като n = cV преди и след разреждането, C₁V₁ = C₂V₂, където 1 се отнася за изходния разтвор, а 2 – за разредения. Върши работа всяка единица за обем, ако двата обема използват една и съща, защото единиците се съкращават.

Решен пример: нужни са ви 500.0 mL натриев хлорид с концентрация 0.360 mol/L и разполагате с изходен разтвор 2.40 mol/L. V₁ = C₂V₂ ÷ C₁ = (0.360 mol/L × 500.0 mL) ÷ 2.40 mol/L = 75.0 mL. Проверка: изходният разтвор е 2.40 ÷ 0.360 = 6.67 пъти по-концентриран, така че ви трябва около една седма от крайния обем, а 500.0 mL ÷ 6.67 = 75.0 mL.

Отмерете 75.0 mL изходен разтвор в мерителна колба от 500 mL и допълнете до марката. Не добавяйте просто 425.0 mL вода: обемите на разтворите не са строго адитивни, а C₂ се отнася за крайния обем. Когато разреждате концентрирана киселина, добавяйте киселината във водата, а не водата в киселината, защото отделената топлина може да причини пръскане.

Стехиометрия на разтворите: от обем към молове и обратно

При реакции между разтвори моларността преобразува обема в молове чрез n = c × V. Мольното отношение от уравненото химично уравнение се прилага точно както при стехиометрията по маси, а втора моларност преобразува обратно в обем, ако е нужно.

Решен пример: какъв обем бариев хлорид с концентрация 0.125 mol/L утаява целия сулфат от 40.0 mL натриев сулфат с концентрация 0.0850 mol/L и каква маса бариев сулфат се образува? Съкратеното йонно уравнение е Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s). n(SO₄²⁻) = 0.0850 mol/L × 0.0400 L = 3.40 × 10⁻³ mol. Отношението е 1:1 и всеки BaCl₂ дава един Ba²⁺, така че V = 3.40 × 10⁻³ mol ÷ 0.125 mol/L = 0.0272 L, или 27.2 mL.

Моларната маса на BaSO₄ (Ba 137.33, S 32.06, O 16.00) е 233.39 g/mol, така че образуваната маса е 3.40 × 10⁻³ mol × 233.39 g/mol = 0.794 g. Всеки отговор има три значещи цифри, определени от 0.0850 mol/L, 40.0 mL и 0.125 mol/L.

Титруване: превръщане на отчитане на бюретата в концентрация

При титруването разтвор с известна концентрация – титрантът – се добавя от бюрета към измерен обем проба, докато реакцията завърши. Точката на еквивалентност е там, където количеството добавен титрант съответства на пробата според стехиометричното отношение. Крайната точка е там, където индикаторът сменя цвета си, а подходящ индикатор прави двете почти да съвпадат.

Решен пример: проба от 20.00 mL разтвор на бариев хидроксид с неизвестна концентрация изисква 28.36 mL солна киселина с концентрация 0.1208 mol/L, за да се стигне до крайна точка с фенолфталеин. Ba(OH)₂(aq) + 2 HCl(aq) → BaCl₂(aq) + 2 H₂O(l). n(HCl) = 0.1208 mol/L × 0.02836 L = 3.426 × 10⁻³ mol. n(Ba(OH)₂) = 3.426 × 10⁻³ mol ÷ 2 = 1.713 × 10⁻³ mol. c(Ba(OH)₂) = 1.713 × 10⁻³ mol ÷ 0.02000 L = 0.08565 mol/L, с четири значещи цифри.

Множителят 2 има значение. Третирането на реакцията като 1:1 би дало 0.1713 mol/L, два пъти истинската стойност, поради което C₁V₁ = C₂V₂ не бива да се използва за титруване. Собствената концентрация на титранта се установява предварително чрез стандартизиране – титруване срещу претеглен първичен стандарт; натриевият карбонат е често срещан избор за киселини.

Грешки с концентрацията и как да ги забележите

Повечето грешки с концентрацията са грешки в единиците или в постановката. Записването на единици до всяка величина и проверката дали резултатът се движи в очакваната посока улавят почти всички.

Разреденият разтвор трябва да е по-малко концентриран от изходния си, масата, претеглена за хидрат, трябва да е по-голяма, отколкото за безводната сол, а обемът на титранта трябва да попада в обхвата на бюретата. Резултат, който нарушава някое от тези неща, заслужава повторен поглед.

• Използване на милилитри в n = c × V с c в mol/L. Първо преобразувайте в литри; mL × mol/L не дава mol.
• Използване на обема на разтворителя вместо крайния обем на разтвора.
• Използване на моларната маса на безводното вещество за хидрат.
• Прилагане на C₁V₁ = C₂V₂ към реакция. Формулата описва само разреждане; за реакции минавайте през молове и мольното отношение.
• Забравяне на кратността на йоните, например третиране на CaCl₂ с 0.150 mol/L като 0.150 mol/L по Cl⁻.
• Добавяне на крайния обем вода вместо допълване до крайния обем.