Molaritet, fortynning og løsningsstøkiometri

Molaritet teller mol per liter løsning

Molaritet, også kalt stoffmengdekonsentrasjon, er stoffmengden oppløst stoff i mol delt på volumet av løsningen i liter: c = n/V, i mol/L, ofte skrevet M. En glukoseløsning på 0.250 mol/L inneholder 0.250 mol glukose i hver liter ferdig løsning. Hakeparenteser angir molar konsentrasjon av en art, som i [Cl⁻].

Volumet er volumet av løsningen, ikke av løsemiddelet. Når et stoff løses i nøyaktig 1.000 L vann, blir totalvolumet vanligvis ikke 1.000 L, så løsninger lages ved å fylle opp til en kalibreringsstrek i en målekolbe i stedet for å tilsette et målt volum vann.

For en sterk elektrolytt følger ionekonsentrasjonene av formelen. En CaCl₂-løsning på 0.150 mol/L er 0.150 mol/L i Ca²⁺ og 0.300 mol/L i Cl⁻, fordi hver formelenhet frigjør to kloridioner. Molariteten endrer seg også litt med temperaturen, siden løsninger utvider seg når de varmes opp.

Å lage en løsning av et avveid fast stoff

Stoffmengden som trengs er n = c × V, og massen som skal veies er n × M, der M er molar masse. Veg opp det faste stoffet, løs det i mindre vann enn sluttvolumet, overfør det til en målekolbe mens du skyller begerglasset ned i kolben, fyll opp til streken og bland ved å snu kolben.

Regneeksempel: lag 250.0 mL av 0.0800 mol/L kobber(II)sulfat av blå krystaller av kobber(II)sulfatpentahydrat, CuSO₄·5H₂O. Med IUPACs standard atomvekter avrundet til to desimaler (Cu 63.55, S 32.06, O 16.00, H 1.01) er molar masse for hydratet 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. Masse = 0.02000 mol × 249.71 g/mol = 4.994 g, så veg opp 4.99 g av pentahydratet. Hver formelenhet leverer fortsatt ett Cu²⁺ og ett SO₄²⁻, men hydratvannet bidrar til massen du veier opp. Hvis du brukte molar masse for det vannfrie saltet, 159.61 g/mol, og veide opp 3.19 g av hydratet, ville løsningen bare bli 0.0511 mol/L, omtrent 36 % for fortynnet.

Å fortynne en stamløsning med C₁V₁ = C₂V₂

Tilsetning av løsemiddel endrer volumet, men ikke stoffmengden oppløst stoff. Siden n = cV både før og etter fortynning, er C₁V₁ = C₂V₂, der 1 viser til stamløsningen og 2 til den fortynnede løsningen. Enhver volumenhet fungerer hvis begge volumene bruker den samme, fordi enhetene forkortes bort.

Regneeksempel: du trenger 500.0 mL av 0.360 mol/L natriumklorid og har en stamløsning på 2.40 mol/L. V₁ = C₂V₂ ÷ C₁ = (0.360 mol/L × 500.0 mL) ÷ 2.40 mol/L = 75.0 mL. Kontroll: stamløsningen er 2.40 ÷ 0.360 = 6.67 ganger så konsentrert, så du trenger omtrent en syvendedel av sluttvolumet, og 500.0 mL ÷ 6.67 = 75.0 mL.

Mål opp 75.0 mL stamløsning i en målekolbe på 500 mL og fyll opp til streken. Ikke bare tilsett 425.0 mL vann: volumer av løsninger er ikke strengt additive, og C₂ gjelder sluttvolumet. Når du fortynner en konsentrert syre, skal du tilsette syren i vannet og ikke vannet i syren, fordi varmen som frigjøres kan få væsken til å sprute.

Løsningsstøkiometri: fra volum til mol og tilbake

I reaksjoner mellom løsninger gjør molaritet volum om til mol gjennom n = c × V. Molforholdet fra den balanserte likningen gjelder deretter nøyaktig som i massebasert støkiometri, og en ny molaritet gjør stoffmengden om til et volum igjen om nødvendig.

Regneeksempel: hvilket volum 0.125 mol/L bariumklorid feller ut alt sulfatet fra 40.0 mL 0.0850 mol/L natriumsulfat, og hvilken masse bariumsulfat dannes? Nettoionelikningen er Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s). n(SO₄²⁻) = 0.0850 mol/L × 0.0400 L = 3.40 × 10⁻³ mol. Forholdet er 1:1, og hver BaCl₂ leverer ett Ba²⁺, så V = 3.40 × 10⁻³ mol ÷ 0.125 mol/L = 0.0272 L, eller 27.2 mL.

Molar masse for BaSO₄ (Ba 137.33, S 32.06, O 16.00) er 233.39 g/mol, så den dannede massen er 3.40 × 10⁻³ mol × 233.39 g/mol = 0.794 g. Hvert svar har tre gjeldende siffer, bestemt av 0.0850 mol/L, 40.0 mL og 0.125 mol/L.

Titrering: fra byretteavlesning til konsentrasjon

I en titrering tilsettes en løsning med kjent konsentrasjon, titranten, fra en byrette til et målt volum av prøven til reaksjonen er fullført. Ekvivalenspunktet er der stoffmengden titrant som er tilsatt, tilsvarer prøven i det støkiometriske forholdet. Sluttpunktet er der indikatoren skifter farge, og en egnet indikator får de to til å falle nesten sammen.

Regneeksempel: en prøve på 20.00 mL bariumhydroksidløsning med ukjent konsentrasjon krever 28.36 mL 0.1208 mol/L saltsyre for å nå et sluttpunkt med fenolftalein. 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, med fire gjeldende siffer.

Faktoren 2 har betydning. Hvis reaksjonen behandles som 1:1, får man 0.1713 mol/L, det dobbelte av den riktige verdien, og derfor bør ikke C₁V₁ = C₂V₂ brukes for titreringer. Titrantens egen konsentrasjon bestemmes på forhånd ved standardisering, der den titreres mot en avveid primærstandard; natriumkarbonat er et vanlig valg for syrer.

Konsentrasjonsfeil og hvordan du oppdager dem

De fleste konsentrasjonsfeil er feil med enheter eller oppsett. Å skrive enheter på hver størrelse og kontrollere at resultatet går i forventet retning fanger nesten alle.

En fortynnet løsning må være mindre konsentrert enn stamløsningen, en masse som veies opp for et hydrat må være større enn for det vannfrie saltet, og et titrantvolum bør ligge innenfor byrettens område. Et resultat som bryter noen av disse, fortjener en ekstra titt.

• Å bruke milliliter i n = c × V med c i mol/L. Regn om til liter først; mL × mol/L gir ikke mol.
• Å bruke volumet av løsemiddelet i stedet for sluttvolumet av løsningen.
• Å bruke molar masse for det vannfrie saltet for et hydrat.
• Å bruke C₁V₁ = C₂V₂ på en reaksjon. Den beskriver bare fortynning; for reaksjoner går du via mol og molforholdet.
• Å glemme antallet ioner, som å behandle 0.150 mol/L CaCl₂ som 0.150 mol/L i Cl⁻.
• Å tilsette sluttvolumet av vann i stedet for å fortynne til sluttvolumet.