Molaarisuus, laimennus ja liuosten stoikiometria

Molaarisuus laskee moolit litraa liuosta kohti

Molaarisuus eli ainemääräpitoisuus on liuenneen aineen ainemäärä moleina jaettuna liuoksen tilavuudella litroina: c = n/V, yksikkö mol/L, usein merkittynä M. 0.250 mol/L glukoosiliuos sisältää 0.250 mol glukoosia jokaisessa lopullisen liuoksen litrassa. Hakasulkeet merkitsevät lajin moolipitoisuutta, kuten [Cl⁻].

Tilavuus on liuoksen tilavuus, ei liuottimen. Aineen liuottaminen tasan 1.000 litraan vettä antaa yleensä kokonaistilavuuden, joka ei ole 1.000 L, joten liuokset täytetään kalibrointimerkkiin mittapullossa sen sijaan, että lisättäisiin mitattu tilavuus vettä.

Vahvalle elektrolyytille ionipitoisuudet seuraavat kaavasta. 0.150 mol/L CaCl₂-liuoksessa Ca²⁺:n pitoisuus on 0.150 mol/L ja Cl⁻:n 0.300 mol/L, koska jokainen kaavayksikkö vapauttaa kaksi kloridi-ionia. Molaarisuus muuttuu myös hieman lämpötilan mukana, koska liuokset laajenevat lämmetessään.

Liuoksen valmistaminen punnitusta kiinteästä aineesta

Tarvittava ainemäärä on n = c × V ja punnittava massa on n × M, missä M on moolimassa. Punnitse kiinteä aine, liuota se lopullista tilavuutta pienempään vesimäärään, siirrä se mittapulloon huuhtelemalla dekantterilasi pulloon, laimenna merkkiin ja sekoita kääntelemällä.

Läpikäyty esimerkki: valmista 250.0 mL 0.0800 mol/L kupari(II)sulfaattia sinisistä kupari(II)sulfaattipentahydraatin, CuSO₄·5H₂O, kiteistä. Kun käytetään kahteen desimaaliin pyöristettyjä IUPAC:n standardiatomipainoja (Cu 63.55, S 32.06, O 16.00, H 1.01), hydraatin moolimassa on 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. Massa = 0.02000 mol × 249.71 g/mol = 4.994 g, joten punnitse 4.99 g pentahydraattia. Jokainen kaavayksikkö tuo edelleen yhden Cu²⁺:n ja yhden SO₄²⁻:n, mutta kidevesi lisää punnitsemaasi massaa. Jos käyttäisit vedettömän aineen moolimassaa, 159.61 g/mol, ja punnitsisit 3.19 g hydraattia, liuos olisi vain 0.0511 mol/L, noin 36% liian laimea.

Kantaliuoksen laimentaminen kaavalla C₁V₁ = C₂V₂

Liuottimen lisääminen muuttaa tilavuutta mutta ei liuenneen aineen määrää. Koska n = cV ennen laimennusta ja sen jälkeen, C₁V₁ = C₂V₂, missä 1 viittaa kantaliuokseen ja 2 laimennettuun liuokseen. Mikä tahansa tilavuusyksikkö kelpaa, jos molemmat tilavuudet käyttävät samaa, koska yksiköt supistuvat.

Läpikäyty esimerkki: tarvitset 500.0 mL 0.360 mol/L natriumkloridia ja sinulla on 2.40 mol/L kantaliuos. V₁ = C₂V₂ ÷ C₁ = (0.360 mol/L × 500.0 mL) ÷ 2.40 mol/L = 75.0 mL. Tarkistus: kantaliuos on 2.40 ÷ 0.360 = 6.67-kertaisesti väkevämpää, joten tarvitset noin seitsemäsosan lopullisesta tilavuudesta, ja 500.0 mL ÷ 6.67 = 75.0 mL.

Mittaa 75.0 mL kantaliuosta 500 mL:n mittapulloon ja laimenna merkkiin. Älä yksinkertaisesti lisää 425.0 mL vettä: liuosten tilavuudet eivät ole tarkasti additiivisia, ja C₂ viittaa lopulliseen tilavuuteen. Laimentaessasi väkevää happoa lisää happo veteen eikä vettä happoon, koska vapautuva lämpö voi aiheuttaa roiskumista.

Liuosten stoikiometria: tilavuudesta moleihin ja takaisin

Liuosten välisissä reaktioissa molaarisuus muuntaa tilavuuden moleiksi kaavalla n = c × V. Tasapainotetun yhtälön moolisuhde pätee sitten täsmälleen kuten massapohjaisessa stoikiometriassa, ja toinen molaarisuus muuntaa tarvittaessa takaisin tilavuudeksi.

Läpikäyty esimerkki: mikä tilavuus 0.125 mol/L bariumkloridia saostaa kaiken sulfaatin 40.0 mL:sta 0.0850 mol/L natriumsulfaattia, ja kuinka suuri massa bariumsulfaattia muodostuu? Nettoionireaktioyhtälö on Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s). n(SO₄²⁻) = 0.0850 mol/L × 0.0400 L = 3.40 × 10⁻³ mol. Suhde on 1:1, ja jokainen BaCl₂ tuo yhden Ba²⁺:n, joten V = 3.40 × 10⁻³ mol ÷ 0.125 mol/L = 0.0272 L, eli 27.2 mL.

BaSO₄:n moolimassa (Ba 137.33, S 32.06, O 16.00) on 233.39 g/mol, joten muodostuvan aineen massa on 3.40 × 10⁻³ mol × 233.39 g/mol = 0.794 g. Jokaisessa vastauksessa on kolme merkitsevää numeroa, jotka määräävät arvot 0.0850 mol/L, 40.0 mL ja 0.125 mol/L.

Titraus: byretin lukemasta pitoisuudeksi

Titrauksessa tunnetun pitoisuuden liuosta, titrausliuosta, lisätään byretistä mitattuun näytetilavuuteen, kunnes reaktio on täydellinen. Ekvivalenssipiste on kohta, jossa lisätyn titrausliuoksen määrä vastaa näytettä stoikiometrisessa suhteessa. Päätepiste on kohta, jossa indikaattori vaihtaa väriä, ja sopiva indikaattori saa nämä kaksi lähes yhtymään.

Läpikäyty esimerkki: 20.00 mL:n näyte bariumhydroksidiliuosta, jonka pitoisuus on tuntematon, vaatii 28.36 mL 0.1208 mol/L suolahappoa fenolftaleiinin päätepisteeseen pääsemiseksi. 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, neljän merkitsevän numeron tarkkuudella.

Kerroin 2 on tärkeä. Reaktion käsitteleminen suhteessa 1:1 antaisi 0.1713 mol/L, kaksinkertaisen oikeaan arvoon nähden, minkä vuoksi kaavaa C₁V₁ = C₂V₂ ei pidä käyttää titrauksissa. Titrausliuoksen oma pitoisuus määritetään etukäteen standardoinnilla, titraamalla se punnittua primääristandardia vastaan; natriumkarbonaatti on yleinen valinta happoja varten.

Pitoisuusvirheet ja miten ne huomataan

Useimmat pitoisuusvirheet ovat yksikkö- tai asetteluvirheitä. Yksiköiden kirjoittaminen jokaisen suureen perään ja sen tarkistaminen, että tulos liikkuu odotettuun suuntaan, paljastaa lähes kaikki.

Laimennetun liuoksen täytyy olla laimeampi kuin sen kantaliuos, hydraatille punnitun massan täytyy olla suurempi kuin vedettömälle suolalle, ja titrausliuoksen tilavuuden pitäisi sopia byretin mittausalueelle. Tulos, joka rikkoo jonkin näistä, ansaitsee toisen katsomisen.

• Millilitrojen käyttö kaavassa n = c × V, kun c on yksikössä mol/L. Muunna ensin litroiksi; mL × mol/L ei anna moolia.
• Liuottimen tilavuuden käyttö liuoksen lopullisen tilavuuden sijaan.
• Vedettömän aineen moolimassan käyttö hydraatille.
• Kaavan C₁V₁ = C₂V₂ soveltaminen reaktioon. Se kuvaa vain laimennusta; reaktioissa kulje moolien ja moolisuhteen kautta.
• Ionien lukumäärän unohtaminen, esimerkiksi 0.150 mol/L CaCl₂:n käsitteleminen niin, että Cl⁻:n pitoisuus olisi 0.150 mol/L.
• Lopullisen vesimäärän lisääminen sen sijaan, että laimennettaisiin lopulliseen tilavuuteen.