Molaritet, spädning och lösningsstökiometri

Molaritet räknar mol per liter lösning

Molaritet, även kallad substanskoncentration, är substansmängden löst ämne i mol dividerad med lösningens volym i liter: c = n/V, i mol/L, ofta skrivet M. En glukoslösning på 0.250 mol/L innehåller 0.250 mol glukos i varje liter av den färdiga lösningen. Hakparenteser anger molkoncentrationen av en art, som i [Cl⁻].

Volymen är lösningens volym, inte lösningsmedlets. Att lösa ett ämne i exakt 1.000 L vatten ger i allmänhet en total volym som inte är 1.000 L, så lösningar görs upp till en graderingsmarkering i en mätkolv i stället för genom att tillsätta en uppmätt volym vatten.

För en stark elektrolyt följer jonkoncentrationerna av formeln. En CaCl₂-lösning på 0.150 mol/L är 0.150 mol/L i Ca²⁺ och 0.300 mol/L i Cl⁻, eftersom varje formelenhet frigör två kloridjoner. Molariteten ändras också något med temperaturen, eftersom lösningar utvidgas när de värms.

Att bereda en lösning av ett vägt fast ämne

Den mängd som behövs är n = c × V, och massan som ska vägas är n × M, där M är molmassan. Väg det fasta ämnet, lös det i mindre vatten än slutvolymen, för över det till en mätkolv medan du sköljer bägaren över i kolven, späd till markeringen och blanda genom att vända kolven upp och ned.

Räkneexempel: bered 250.0 mL koppar(II)sulfat på 0.0800 mol/L av blå kristaller av koppar(II)sulfatpentahydrat, CuSO₄·5H₂O. Med IUPAC:s standardatomvikter avrundade till två decimaler (Cu 63.55, S 32.06, O 16.00, H 1.01) är hydratets molmassa 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, så väg 4.99 g av pentahydratet. Varje formelenhet bidrar fortfarande med en Cu²⁺ och en SO₄²⁻, men kristallvattnet bidrar till den massa du väger. Om du hade använt den vattenfria molmassan, 159.61 g/mol, och vägt 3.19 g av hydratet skulle lösningen bara bli 0.0511 mol/L, ungefär 36% för utspädd.

Att späda en stamlösning med C₁V₁ = C₂V₂

Tillsats av lösningsmedel ändrar volymen men inte mängden löst ämne. Eftersom n = cV både före och efter spädning gäller C₁V₁ = C₂V₂, där 1 avser stamlösningen och 2 den utspädda lösningen. Valfri volymenhet fungerar om båda volymerna använder samma, eftersom enheterna förkortas bort.

Räkneexempel: du behöver 500.0 mL natriumklorid på 0.360 mol/L och har en stamlösning på 2.40 mol/L. V₁ = C₂V₂ ÷ C₁ = (0.360 mol/L × 500.0 mL) ÷ 2.40 mol/L = 75.0 mL. Kontroll: stamlösningen är 2.40 ÷ 0.360 = 6.67 gånger så koncentrerad, så du behöver ungefär en sjundedel av slutvolymen, och 500.0 mL ÷ 6.67 = 75.0 mL.

Mät upp 75.0 mL stamlösning i en mätkolv på 500 mL och späd till markeringen. Tillsätt inte bara 425.0 mL vatten: volymer av lösningar är inte strikt additiva, och C₂ avser slutvolymen. När du späder en koncentrerad syra, tillsätt syran till vattnet och inte vattnet till syran, eftersom värmen som frigörs kan göra att det stänker.

Lösningsstökiometri: från volym till mol och tillbaka

I reaktioner mellan lösningar omvandlar molariteten volym till mol genom n = c × V. Molförhållandet från den balanserade reaktionsformeln tillämpas sedan precis som i massbaserad stökiometri, och en andra molaritet omvandlar tillbaka till en volym vid behov.

Räkneexempel: vilken volym bariumklorid på 0.125 mol/L fäller ut all sulfat ur 40.0 mL natriumsulfat på 0.0850 mol/L, och vilken massa bariumsulfat bildas? Nettojonformeln är Ba²⁺(aq) + SO₄²⁻(aq) → BaSO₄(s). n(SO₄²⁻) = 0.0850 mol/L × 0.0400 L = 3.40 × 10⁻³ mol. Förhållandet är 1:1, och varje BaCl₂ bidrar med en Ba²⁺, så V = 3.40 × 10⁻³ mol ÷ 0.125 mol/L = 0.0272 L, eller 27.2 mL.

Molmassan för BaSO₄ (Ba 137.33, S 32.06, O 16.00) är 233.39 g/mol, så den bildade massan är 3.40 × 10⁻³ mol × 233.39 g/mol = 0.794 g. Varje svar har tre gällande siffror, bestämda av 0.0850 mol/L, 40.0 mL och 0.125 mol/L.

Titrering: att göra om en byrettavläsning till en koncentration

Vid en titrering tillsätts en lösning med känd koncentration, titranten, från en byrett till en uppmätt provvolym tills reaktionen är fullständig. Ekvivalenspunkten är där den tillsatta mängden titrant motsvarar provet i det stökiometriska förhållandet. Ändpunkten är där indikatorn byter färg, och en lämplig indikator får de två att nästan sammanfalla.

Räkneexempel: ett prov på 20.00 mL bariumhydroxidlösning med okänd koncentration kräver 28.36 mL saltsyra på 0.1208 mol/L för att nå en fenolftaleinändpunkt. 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 fyra gällande siffror.

Faktorn 2 spelar roll. Om reaktionen behandlades som 1:1 skulle man få 0.1713 mol/L, dubbelt så mycket som det riktiga värdet, och det är därför C₁V₁ = C₂V₂ inte ska användas för titreringar. Titrantens egen koncentration fastställs i förväg genom standardisering, där den titreras mot en vägd primär standard; natriumkarbonat är ett vanligt val för syror.

Koncentrationsmisstag och hur du upptäcker dem

De flesta koncentrationsfel är fel med enheter eller uppställning. Att skriva enheter vid varje storhet och kontrollera att resultatet går i väntad riktning fångar nästan alla.

En utspädd lösning måste vara mindre koncentrerad än sin stamlösning, en massa som vägs för ett hydrat måste vara större än för det vattenfria saltet, och en titrantvolym bör ligga inom byrettens område. Ett resultat som bryter mot något av detta förtjänar en andra blick.

• Att använda milliliter i n = c × V med c i mol/L. Omvandla till liter först; mL × mol/L ger inte mol.
• Att använda lösningsmedlets volym i stället för lösningens slutvolym.
• Att använda den vattenfria molmassan för ett hydrat.
• Att tillämpa C₁V₁ = C₂V₂ på en reaktion. Den beskriver bara spädning; för reaktioner går du via mol och molförhållandet.
• Att glömma jonernas antal, till exempel behandla 0.150 mol/L CaCl₂ som 0.150 mol/L i Cl⁻.
• Att tillsätta slutvolymen vatten i stället för att späda till slutvolymen.