Molarnost, redčenje in stehiometrija raztopin

Molarnost šteje mole na liter raztopine

Molarnost, imenovana tudi množinska koncentracija, je množina topljenca v molih, deljena s prostornino raztopine v litrih: c = n/V, v mol/L, pogosto zapisano kot M. Raztopina glukoze 0.250 mol/L vsebuje 0.250 mol glukoze v vsakem litru končne raztopine. Oglati oklepaji označujejo molsko koncentracijo vrste, kot v [Cl⁻].

Prostornina je prostornina raztopine, ne topila. Raztapljanje topljenca v natanko 1.000 L vode običajno da skupno prostornino, ki ni 1.000 L, zato raztopine pripravimo do označbe na merilni bučki in ne z dodajanjem izmerjene prostornine vode.

Pri močnem elektrolitu koncentracije ionov izhajajo iz formule. Raztopina CaCl₂ 0.150 mol/L je 0.150 mol/L glede na Ca²⁺ in 0.300 mol/L glede na Cl⁻, ker vsaka formulska enota sprosti dva kloridna iona. Molarnost se tudi rahlo spreminja s temperaturo, saj se raztopine pri segrevanju razširijo.

Priprava raztopine iz stehtane trdne snovi

Potrebna množina snovi je n = c × V, masa za tehtanje pa je n × M, kjer je M molska masa. Stehtajte trdno snov, raztopite jo v manj vode, kot je končna prostornina, prenesite jo v merilno bučko in pri tem izperite čašo v bučko, razredčite do označbe in premešajte z obračanjem.

Rešen primer: pripravite 250.0 mL bakrovega(II) sulfata 0.0800 mol/L iz modrih kristalov bakrovega(II) sulfata pentahidrata, CuSO₄·5H₂O. Z IUPAC standardnimi atomskimi masami, zaokroženimi na dve decimalki (Cu 63.55, S 32.06, O 16.00, H 1.01), je molska masa hidrata 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. Masa = 0.02000 mol × 249.71 g/mol = 4.994 g, zato stehtajte 4.99 g pentahidrata. Vsaka formulska enota še vedno prispeva en Cu²⁺ in en SO₄²⁻, vendar kristalna voda prispeva k masi, ki jo tehtate. Če bi uporabili molsko maso brezvodne soli, 159.61 g/mol, in stehtali 3.19 g hidrata, bi bila raztopina le 0.0511 mol/L, približno 36 % preredka.

Redčenje osnovne raztopine s C₁V₁ = C₂V₂

Dodajanje topila spremeni prostornino, ne pa množine topljenca. Ker je n = cV pred redčenjem in po njem, velja C₁V₁ = C₂V₂, kjer 1 pomeni osnovno in 2 razredčeno raztopino. Deluje vsaka enota prostornine, če obe prostornini uporabljata isto, ker se enote pokrajšajo.

Rešen primer: potrebujete 500.0 mL natrijevega klorida 0.360 mol/L in imate osnovno raztopino 2.40 mol/L. V₁ = C₂V₂ ÷ C₁ = (0.360 mol/L × 500.0 mL) ÷ 2.40 mol/L = 75.0 mL. Preverjanje: osnovna raztopina je 2.40 ÷ 0.360 = 6.67-krat bolj koncentrirana, zato potrebujete približno sedmino končne prostornine, in 500.0 mL ÷ 6.67 = 75.0 mL.

Odmerite 75.0 mL osnovne raztopine v merilno bučko 500 mL in razredčite do označbe. Ne dodajte preprosto 425.0 mL vode: prostornine raztopin niso strogo aditivne, C₂ pa se nanaša na končno prostornino. Pri redčenju koncentrirane kisline dodajte kislino v vodo in ne vode v kislino, ker lahko sproščena toplota povzroči pršenje.

Stehiometrija raztopin: od prostornine do molov in nazaj

Pri reakcijah med raztopinami molarnost pretvori prostornino v mole prek n = c × V. Molsko razmerje iz uravnotežene enačbe se nato uporabi točno tako kot pri stehiometriji na osnovi mase, druga molarnost pa po potrebi pretvori nazaj v prostornino.

Rešen primer: kolikšna prostornina barijevega klorida 0.125 mol/L obori ves sulfat iz 40.0 mL natrijevega sulfata 0.0850 mol/L in kolikšna masa barijevega sulfata nastane? Neto ionska enačba je Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s). n(SO₄²⁻) = 0.0850 mol/L × 0.0400 L = 3.40 × 10⁻³ mol. Razmerje je 1:1, vsak BaCl₂ pa prispeva en Ba²⁺, zato je V = 3.40 × 10⁻³ mol ÷ 0.125 mol/L = 0.0272 L, ali 27.2 mL.

Molska masa BaSO₄ (Ba 137.33, S 32.06, O 16.00) je 233.39 g/mol, zato je nastala masa 3.40 × 10⁻³ mol × 233.39 g/mol = 0.794 g. Vsak odgovor ima tri veljavne števke, ki jih določajo 0.0850 mol/L, 40.0 mL in 0.125 mol/L.

Titracija: pretvorba odčitka birete v koncentracijo

Pri titraciji se raztopina znane koncentracije, titrant, dodaja iz birete izmerjeni prostornini vzorca, dokler reakcija ni končana. Ekvivalenčna točka je tam, kjer se dodana množina titranta ujema z vzorcem v stehiometrijskem razmerju. Končna točka je tam, kjer indikator spremeni barvo, primeren indikator pa ti dve točki skoraj poenoti.

Rešen primer: vzorec raztopine barijevega hidroksida neznane koncentracije s prostornino 20.00 mL za dosego končne točke s fenolftaleinom potrebuje 28.36 mL klorovodikove kisline 0.1208 mol/L. 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, na štiri veljavne števke.

Faktor 2 je pomemben. Če bi reakcijo obravnavali kot 1:1, bi dobili 0.1713 mol/L, dvakratnik prave vrednosti, zato C₁V₁ = C₂V₂ ne smemo uporabljati pri titracijah. Koncentracijo titranta vnaprej določimo s standardizacijo, tako da ga titriramo proti stehtanemu primarnemu standardu; natrijev karbonat je pogosta izbira za kisline.

Napake pri koncentraciji in kako jih opaziti

Večina napak pri koncentraciji je napak v enotah ali postavitvi. Zapis enot pri vsaki količini in preverjanje, ali se rezultat premakne v pričakovani smeri, ujame skoraj vse.

Razredčena raztopina mora biti manj koncentrirana od osnovne, masa, stehtana za hidrat, mora biti večja kot za brezvodno sol, prostornina titranta pa mora ležati znotraj območja birete. Rezultat, ki krši katero od teh pravil, zasluži drugi pogled.

• Uporaba mililitrov v n = c × V s c v mol/L. Najprej pretvorite v litre; mL × mol/L ne da mol.
• Uporaba prostornine topila namesto končne prostornine raztopine.
• Uporaba molske mase brezvodne soli za hidrat.
• Uporaba C₁V₁ = C₂V₂ za reakcijo. Opisuje le redčenje; pri reakcijah pojdite prek molov in molskega razmerja.
• Pozaba večkratnosti ionov, na primer obravnavanje CaCl₂ 0.150 mol/L kot 0.150 mol/L glede na Cl⁻.
• Dodajanje končne prostornine vode namesto redčenja do končne prostornine.