Как вычислить массовый процент. Количественный и качественный состав раствора

Массовая доля - отношение массы растворённого вещества к массе раствора. Массовая доля измеряется в долях единицы.

m 1 - масса растворённого вещества, г;

m - общая масса раствора, г.

Массовое процентное содержание компонента, m%

m % =(m i /Σm i)*100

В бинарных растворах часто существует однозначная (функциональная) зависимость между плотностью раствора и его концентрацией (при данной температуре). Это даёт возможность определять на практике концентрации важных растворов с помощью денсиметра (спиртометра, сахариметра, лактометра). Некоторые ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора (спирта, жира в молоке, сахара). Следует учитывать, что для некоторых веществ кривая плотности раствора имеет максимум, в этом случае проводят 2 измерения: непосредственное, и при небольшом разбавлении раствора.

Часто для выражения концентрации (например, серной кислоты в электролите аккумуляторных батарей) пользуются просто их плотностью. Распространены ареометры(денсиметры, плотномеры), предназначенные для определения концентрации растворов веществ.

Объёмная доля

Объёмная доля - отношение объёма растворённого вещества к объёму раствора. Объёмная доля измеряется в долях единицы или в процентах.

V 1 - объём растворённого вещества, л;

V - общий объём раствора, л.

Как было указано выше, существуют ареометры, предназначенные для определения концентрации растворов определённых веществ. Такие ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора. Для распространённых растворов этилового спирта, концентрация которых обычно выражается в объёмных процентах, такие ареометры получили название спиртомеров или андрометров.

Молярность (молярная объёмная концентрация)

Молярная концентрация - количество растворённого вещества (число молей) в единице объёма раствора. Молярная концентрация в системе СИ измеряется в моль/м³, однако на практике её гораздо чаще выражают в моль/л или ммоль/л. Также распространено выражение в «молярности». Возможно другое обозначение молярной концентрации C M , которое принято обозначать М. Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/л называют 0,5-молярным. Примечание: единица «моль» не склоняется по падежам. После цифры пишут «моль», подобно тому, как после цифры пишут «см», «кг» и т. д.

V - общий объём раствора, л.

Нормальная концентрация (мольная концентрация эквивалента)

Нормальная концентрация - количество эквивалентов данного вещества в 1 литре раствора. Нормальную концентрацию выражают в моль-экв/л или г-экв/л (имеется в виду моль эквивалентов). Для записи концентрации таких растворов используют сокращения «н » или «N ». Например, раствор содержащий 0,1 моль-экв/л, называют децинормальным и записывают как 0,1 н .

ν - количество растворённого вещества, моль;

V - общий объём раствора, л;

z - число эквивалентности.

Нормальная концентрация может отличаться в зависимости от реакции, в которой участвует вещество. Например, одномолярный раствор H 2 SO 4 будет однонормальным, если он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата KHSO 4 , и двухнормальным в реакции с образованием K 2 SO 4 .

Растворы характеризуются своим количественным и качественным составом.

Количественный состав выражается долями (безразмерными относительными величинами): массовой, молярной, объемной.

Размерными величинами-концентрациями являются молярная, массовая и молярная массовая концентрация эквивалента.

1. Массовая доля

ω(А) = ·100%

ω(А) - массовая доля вещества А;
m - масса раствора (г);
m(A) - масса вещества А (г).

Массовой долей (процентной концентрацией) растворенного вещества А называется отношение массы вещества А к массе всего раствора m (масса растворителя + масса вещества).

Массовая доля выражается в процентах (долях единицы) или промилле (тысячной части процента).

Процентная концентрация показывает сколько вещества содержится в 100 г раствора.

Задача : В 150 г воды растворено 50 г вещества. Необходимо вычислить массовую долю вещества в растворе.

Решение :

Вычисляем общую массу раствора: 150 + 50 = 200 г;
Вычисляем массовую долю вещества в растворе: ω(А) = ·100% = 25%

2. Молярная доля

χ(A) = n(A)/·100%

χ(A) - молярная доля вещества А;
n(A) - кол-во вещества А, моль;
n(В) - кол-во вещества В (растворителя), моль.

Молярной долей (мольной долей) растворенного вещества А называют отношение кол-ва вещества А (в молях) к сумме количеств (молей) всех веществ, входящих в раствор.

Молярная доля выражается в процентах (долях единицы).

Задача : В 180 мл воды растворили 1,18 г хлорида натрия. Необходимо рассчитать молярную долю NaCl.

Решение :

На первом этапе произведем расчет молей NaCl и H 2 O, необходимых для приготовления раствора (см. Молярная масса):
Молярная масса NaCl: М = 23 + 36 = 59 г/моль;
Кол-во моль для NaCl: n = m/M = 1,18/59 = 0,02 моль
Молярная масса H 2 O: М = 1·2 + 16 = 18 г/моль
Кол-во моль H 2 O: n = 180/18 = 10 моль.
Производим расчет молярной массы NaCl:
χ(NaCl) = n(NaCl)/·100%
χ(NaCl) = 0,02/(0,02+10) = 0,002 (0,2%).

3. Объемная доля

φ(A) = V(A)/V

φ(A) - объемная доля вещества А (доли единицы или %);
V(A) - объем вещества А, мл;
V - объем всего раствора, мл.

Объемной долей вещества А называют отношение объема вещества А к объему всего раствора.

Задача : Массовые доли (ω) кислорода и азота в газовой смеси равны 20% и 80% соответственно. Необходимо вычислить их объемные доли (φ) в газовой смеси.

Решение:

Пусть общая масса газовой смеси равна 100 г:
m(O 2)=m·ω(O 2)=100·0,20=20 г
m(N 2)=m·ω(N 2)=100·0,80=80 г
По формуле n=m/M определяем кол-во молей веществ:
n(O 2)=20/32=0,625 моль
n(N 2)=80/28=2,85 моль
Определяем объем, занимающий газами (исходя из постуалата, что при нормальных условиях 1 моль газа занимает 22,4 л):
Составляем пропорцию:
1 моль газа = 22,4 л;
0,625 моль = х л
х = 22,4·0,625 = 14 л
Для азота по аналогии: 2,85·22,4 = 64 л
Общий объем равен: 14 + 64 = 78 л
Объемные доли газов в смеси:
φ(O 2) = 14/78 = 0,18 (18%)
φ(N 2) = 64/78 = 0,82 (82%)

4. Молярная концентрация (молярность)

c(A) = n(A)/V, моль/л

c(A) - молярная концентрация вещества А, моль/л;
n(A) - кол-во растворенного вещества А, моль;
V - объем всего раствора, л.

Молярной концентрацией растворенного вещества А называют отношение кол-ва растворенного вещества А (в молях) к объему всего раствора (л).

Таким образом, можно сказать, что молярная концентрация - это кол-во молей растворяемого вещества в 1 л раствора. Поскольку n(A)=m(A)/M(A) (см. Молярная масса), то формулу для молярной концентрации можно переписать следующим образом:

C(A) = m(A)/

m(A) - масса вещества А, г;
M(A) - молярная масса вещества А, г/моль.

Молярную концентрацию принято обозначать символом "М":

1М - одномолярный раствор;
0,1М - децимолярный раствор;
0,01М - сантимолярный раствор.

Задача : В 500 мл раствора содержится 10 г NaCl. Необходимо определить молярную концентрацию раствора.

Решение :

Находим массу хлорида натрия в 1 л раствора (молярная концентрация - это число молей растворенного вещества в 1 л раствора):
500 мл раствора - 10 г NaCl
1000 мл - х
х = 20 г
Молярная концентрация NaCl:
c(NaCl) = m(NaCl)/ = 20/(59·1) = 0,34 моль/л

5. Массовая концентрация (титр)

ρ(A) = m(A)/V

ρ(A) - массовая концентрация вещества А, г/л;
m(A) - масса вещества А, г;
V - объем раствора, л.

Массовой концентрацией (титром) называют отношение массы растворенного вещества к объему раствора.

Задача : Определить молярную концентрацию 20% раствора HCl (ρ=1,1 г/мл).

Решение:

Определяем объем 100 г раствора соляной кислоты:
V = m/ρ = 100/1,1 = 0,09 л
В 100 г 20% раствора соляной кислоты содержится 20 г HCl. Рассчитываем молярную концентрацию:
c(HCl) = m(HCl)/ = 20/(37·0,9) = 6 моль/л

6. Молярная концентрация эквивалента (нормальность)

c э (A) = n э (A)/V, моль/л

c э (A) - молярная концентрация эквивалента, моль/л;
n э (A) - кол-во вещества эквивалентов, моль;
V - объем раствора, л.

Молярной концентрацией эквивалента называют отношение кол-ва вещества эквивалента к объему раствора.

По аналогии с молярной концентрацией (см. выше):

C э (A) = m(A)/

Нормальным раствором называют раствор, в 1 л которого содержится 1 эквивалент растворенного вещества.

Молярную концентрацию эквивалента принято обозначать символом "н":

1н - однонормальный раствор;
0,1н - децинормальный раствор;
0,01н - сантинормальный раствор.

Задача : Какой объем 90% H 2 SO 4 (ρ = 1,82 г/мл) необходим для приготовления 100 мл сантинормального раствора?

Решение :

Определяем кол-во 100% серной кислоты необходимой для приготовления 1 л однонормального раствора. Эквивалент серной кислоты составляет половину ее молекулярной массы:
M(H 2 SO 4) = 1·2 + 32 + 16·4 = 98/2 = 49.
Для приготовления 1 л сантинормального раствора потребуется 0,01-эквивалент: 49·0,01 = 0,49 г.
Определяем кол-во грамм 100% серной кислоты необходимой для получения 100 мл однонормального раствора (составляем пропорцию):
1л - 0,49 г
0,1л - х г
х = 0,049 г.
Решаем поставленную задачу:
х = 100·0,049/90 = 0,054 г.
V = m/ρ = 0,054/1,82 = 0,03 мл.

Смесь, состоящая из двух и более компонентов, характеризуется свойствами и содержанием этих компонентов. Состав смеси может быть задан массой, объемом, количеством (числом молей или килограмм-молей) отдельных компонентов, а также значениями их концентраций. Концентрацию компонента в смеси можно выразить в весовых, мольных и объемных долях или процентах, а также в других единицах.

Массовая доля w i какого-либо компонента определяется отношением массы m i данного компонента к массе всей смеси m см:

Учитывая, что суммарная масса смеси равна сумме масс отдельных компонентов, т.е.

можно написать:

или сокращенно:

Пример 4. Смесь состоит из двух компонентов: m 1 = 500 кг, m 2 = 1500 кг. Определить массовую долю каждого компонента в смеси.

Решение. Массовая доля первого компонента:

m см = m 1 + m 2 = 500 + 1500 = 2000 кг

Массовая доля второго компонента:

Массовую долю второго компонента можно определить также, используя равенство:

w 2 = 1 – w 1 = 1 – 0,25 = 0,75

Объемная доля n i компонента в смеси равна отношению объема V i данного компонента к объему всей смеси V:

Учитывая, что:

можно написать:

Пример 5 . Газ состоит из двух компонентов: V 1 = 15,2 м 3 метана и V 2 = 9,8 м 3 этана. Подсчитать объемный состав смеси.

Решение. Общий объем смеси равен:

V = V 1 + V 2 = 15,2 + 9,8 = 25 м 3

Объемная доля в смеси:

метана

этана v 2 = 1 – v 1 = 1 – 0,60 = 0,40

Мольная доля n i какого-либо компонента смеси определяется как отношение числа киломолей N i данного компонента к общему числу киломолей N смеси:

Учитывая, что:

получим:

Пересчет мольных долей в массовые можно проводить по формуле:

Пример 6 . Смесь состоит из 500 кг бензола и 250 кг толуола. Определить мольный состав смеси.

Решение. Молекулярный вес бензола (С 6 Н 6) равен 78, толуола (С 7 Н 8) – 92. Число килограмм-молей равно:

бензола

толуола

общее число килограмм-молей:

N = N 1 + N 2 = 6,41 + 2,72 = 9,13

Мольная доля бензола равна:

Для толуола мольная доля может быть найдена из равенства:

откуда: n 2 = 1 – n 1 = 1 – 0,70 = 0,30

Среднюю молекулярную массу смеси можно определить, зная мольную долю и молекулярную массу каждого компонента смеси:

(21)

где n i - содержание компонентов в смеси, мол. доли; M i - молекулярная масса компонента смеси.

Молекулярную массу смеси нескольких нефтяных фракций можно определить по формуле

(22)

где m 1 , m 2 ,…, m n - масса компонентов смеси, кг; M 1 , М 2, ....,.М п - молекулярная масса компонентов смеси; - % масс. компонента.

Молекулярную массу нефтепродукта можно определить также по формуле Крэга

(24)

Пример 7 . Определить среднюю молекулярную массу смеси бензола с изооктаном, если мольная доля бензола составляет 0,51, изооктана 0,49.

Решение. Молекулярная масса бензола 78, изооктана 114. Подставляя эти значения в формулу (21), получаем

М ср = 0,51 × 78 + 0,48×114 = 95,7

Пример 8 . Смесь состоит из 1500кг бензола и 2500кг н -октана. Определить среднюю молекулярную массу смеси.

Решение. Используем формулу (22)

Объемный молярный состав пересчитывают в массовый следующим образом. Данный объемный (молярный) состав в процентах принимают за 100 молей. Тогда концентрация каждого компонента в процентах будет выражать число его молей. Затем число молей каждого компонента умножают на его молекулярную массу и получают массу каждого компонента в смеси. Разделив массу каждого компонента на общую массу, получают его массовую концентрацию.

Массовый состав пересчитывают в объемный (молярный) следующим образом. Принимают, что смеси взято 100 (г, кг, т) (если массовый состав выражен в процентах), массу каждого компонента делят на его молекулярную массу. Получают число молей. Делением числа молей каждого компонента на их общее число получают объемные (молярные) концентрации каждого компонента.

Средняя плотность газа определяется по формуле:

Кг/м 3 ; г/см 3

или, исходя из объемного состава:

или, исходя из массового состава смеси:

Относительную плотность определяют по формуле:

Компоненты	М г/моль	массовый состав, % масс.	m i	Число молей	Объемный состав
доли единицы	% об.
Метан				40:16=2,50	0,669	66,9
Этан				10:30=0,33	0,088	8,8
Пропан				15:44=0,34	0,091	9,1
Бутан				25:58=0,43	0,115	11,5
Пентан + высшие				10:72=0,14	0,037	3,7
				3,74	1,000	100,0

Для простоты расчета примем массу смеси за 100 г, тогда масса каждого компонента будет численно совпадать с процентным составом. Найдем число молей n i каждого компонента. Для этого массу каждого компонента m i разделим на мольную массу:

Находим объемный состав смеси в долях единицы

w i (CH 4) = 2,50: 3,74 = 0,669; w(C 2 H 6) = 0,33: 3,74 = 0,088;

W(C 5 H 8) = 0,34: 3,74 = 0,091; w(C 4 H 10) = 0,43: 3,74 = 0,115;

W(C 5 H 12) = 0,14: 3,74 = 0,037.

Находим объемный состав смеси в процентах, умножив данные в долях единицы на 100%. Все полученные данные заносим в таблицу.

Рассчитываем среднюю массу смеси.

М ср = 100: 3,74 = 26,8 г/моль

Находим плотность смеси

Находим относительную плотность:

W(CH 4) = 480: 4120 = 0,117; w(C 2 H 6) = 450: 4120 = 0,109;

W(C 3 H 8) = 880: 4120 = 0,214; w(C 4 H 10) = 870: 4120 = 0,211;

W(C 5 H 12) = 1440: 4120 = 0,349.

М ср = 4120: 100 = 41,2 г/моль.

г/л

Задача 15 . Смесь состоит из пяти компонентов. Определить массовую, объемную и мольную долю каждого компонента в смеси, среднюю молекулярную массу смеси.

Компоненты смеси	Вариант

m i (г)	m i (кг)	m i (т)
метан
этан
пропан
н -бутан
изобутан

Компоненты смеси	ω% массовый состав газа
Варианты

метан
этан
пропан
бутан
пентан

Компоненты смеси	объемный состав газа ω% объем
Варианты

метан
этан
пропан
бутан
пентан

КОЛИЧЕСТВО И КОНЦЕНТРАЦИЯ ВЕЩЕСТВА:

ВЫРАЖЕНИЕ И ПЕРЕСЧЕТЫ ИЗ ОДНОЙ ФОРМЫ В ДРУГУЮ

Основы теории

1. Основные термины и определения

Масса и количества вещества . Массу вещества (m ) измеряют в граммах, а количество вещества (n ) в молях. Если обозначить вещество буквой Х , то тогда его масса может быть обозначена как m (X) , а количество – n (X) .

Моль – количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц (молекул, атомов, ионов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода-12.

При использовании термина моль следует указывать частицы, к которым относится этот термин. Соответственно, можно говорить «моль молекул», «моль атомов», «моль ионов» и т.д. (например, моль молекул водорода, моль атомов водорода, моль ионов водорода). Так как 0,012 кг углерода-12 содержит ~ 6,022х10 23 атомов углерода (постоянная Авогадро), то моль – такое количество вещества, которое содержит 6,022х10 23 структурных элементов (молекул, атомов, ионов и др.).

Отношение массы вещества к количеству вещества называют молярной массой.

M ( X ) = m ( X ) / n( X )

То есть, молярная масса (М) – это масса одного моля вещества . Основной системной 1 единицей молярной массы является кг/моль, а на практике – г/моль. Например, молярная масса самого легкого металла лития М (Li) = 6,939 г/моль, молярная масса газа метана М (СН 4) = 16,043 г/моль. Молярная масса серной кислоты рассчитывается следующим образом M (Н 2 SО 4 ) = 196 г / 2 моль = 96 г/моль.

Любое соединение (вещество), кроме молярной массы, характеризуется относительной молекулярной или атомной массой . Существует и эквивалентная масса Е , равная молекулярной, умноженной на фактор эквивалентности (см. далее).

Относительная молекулярная масса (M r ) – это молярная масса соединения, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12. Например, М r (СН 4) = 16,043. Относительная молекулярная масса – величина безразмерная.

Относительная атомная масса (A r ) – это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12 . Например, A r (Li) = 6,039.

Концентрация . Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы называют концентрацией . Известно несколько способов выражения концентрации. В России чаще всего концентрацию обозначают заглавной буквой С, имея в виду прежде всего массовую концентрацию , которая по праву считается наиболее часто применяемой в экологическом мониторинге форма выражения концентрации (именно в ней измеряют величины ПДК).

Массовая концентрация (С или β) – отношение массы компонента, содержащегося в системе (растворе), к объему этой системы (V ). Это самая распространенная у российских аналитиков форма выражения концентрации.

β (Х) = m ( X ) / V (смеси )

Единица измерения массовой концентрации – кг/м 3 или г/м 3 , кг/дм 3 или г/дм 3 (г/л), кг/см 3 , или г/см 3 (г/мл), мкг/л или мкг/мл и т.д. Арифметические пересчеты из одних размерностей в другие не представляет большой сложности, но требуют внимательности. Например, массовая концентрация хлористоводородной (соляной) кислоты С (HCl) = 40 г / 1 л = 40 г/л = 0,04 г/мл = 4·10 – 5 мкг/л и т.д. Обозначение массовой концентрации С нельзя путать с обозначением мольной концентрации (с ), которая рассматривается далее.

Типичными являются соотношения β (Х): 1000 мкг/л = 1 мкг/мл = 0,001 мг/мл.

В объемном анализе (титриметрии) употребляется одна из форм массовой концентрации – титр . Титр раствора (Т) – это масса вещества, содержащегося в одном кубическом сантиметре или в одном миллилитре раствора .

Единицы измерения титра - кг/см 3 , г/см 3 , г/мл и др.

Моляльность (b ) -- отношение количества растворенного вещества (в молях) к массе растворителя (в кг) .

b ( Х ) = n ( X ) / m ( растворителя ) = n ( X ) / m ( R )

Единица измерения моляльности -- моль/кг. Например, b (HCl/H 2 O) = 2 моль/кг. Моляльная концентрация применяется в основном для концентрированных растворов.

Мольная (!) доля (х) – отношение количества вещества данного компонента (в молях), содержащегося в системе, к общему количеству вещества (в молях).

х ( Х) = n ( X ) / n ( X ) + n ( Y )

Мольная доля может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле (тысячная часть %) и в миллионных (млн –1 , ppm), миллиардных (млрд –1 , ppb), триллионных (трлн –1 , ppt) и др. долях, но единицей измерения все равно является отношение – моль / моль. Например, х (С 2 Н 6) = 2 моль / 2 моль + 3 моль = 0,4 (40 %).

Массовая доля (ω) – отношение массы данного компонента, содержащегося в системе, к общей массе этой системы .

ω ( Х ) = m ( X ) / m (смеси )

Массовая доля измеряется в отношениях кг /кг (г /г ). При этом она может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле, миллионных, миллиардных и т.д. долях. Массовая доля данного компонента, выраженная в процентах, показывает, сколько граммов данного компонента содержится в 100 г раствора.

Например, условно ω (KCl) = 12 г / 12 г + 28 г = 0,3 (30%).

0бъемная доля (φ) – отношение объема компонента, содержащегося в системе, к общему объему системы .

φ ( Х ) = v ( X ) / v ( X ) + v ( Y )

Объемная доля измеряется в отношениях л/л или мл/мл и тоже может быть выражена в долях единицы, процентах, промилле, миллионных и т.д. долях. Например, объемная доля кислорода газовой смеси составляет φ (О 2 ) =0,15 л / 0,15 л + 0,56 л.

Молярная (мольная) концентрация (с) – отношение количества вещества (в молях), содержащегося в системе (например, в растворе), к объему V этой системы.

с( Х ) = n ( X ) / V (смеси )

Единица измерения молярной концентрации моль/м 3 (дольная производная, СИ – моль/л). Например, c (H 2 S0 4) = 1 моль/л, с (КОН) = 0,5 моль/л. Раствор, имеющий концентрацию 1 моль/л, называют молярным раствором и обозначают как 1 М раствор (не надо путать эту букву М, стоящую после цифры, с ранее указанным обозначением молярной массы, т.е. количества вещества М ). Соответственно раствор, имеющий концентрацию 0,5 моль/л, обозначают 0,5 М (полумолярный р-р); 0,1 моль/л – 0,1 М (децимолярный р.р); 0,01 моль/л – 0,01 М (сантимолярный р-р) и т.д.

Эта форма выражения концентрации также очень часто применяется в аналитике.

Нормальная (эквивалентная) концентрация (N ), молярная концентрация эквивалента (С экв. ) – это отношение количества вещества эквивалента в растворе (моль) к объему этого раствора (л).

N = С экв ( Х ) = n (1/ Z X ) / V (смеси )

Количество вещества (в молях), в котором реагирующими частицами являются эквиваленты, называется количеством вещества эквивалента n э (1/ Z X ) = n э (Х).

Единица измерения нормальной концентрации («нормальности») тоже моль/л (дольная производная, СИ). Например, С экв.(1/3 А1С1 3) = 1 моль/л. Раствор, в одном литре которого содержится 1 моль вещества эквивалентов, называют нормальным и обозначают 1 н. Соответственно могут быть 0,5 н («пятидецинормальный»); 0,01 н (сантинормальный») и т.п. растворы.

Следует отметить, что понятие эквивалентности реагирующих веществ в химических реакциях является одним из базовых для аналитической химии. Именно на эквивалентности как правило основаны вычисления результатов химического анализа (особенно в титриметрии). Рассмотрим несколько связанных с этим базовых с т.з. теории аналитики понятий.

Фактор эквивалентности – число, обозначающее, какая доля реальной частицы веществ Х (например, молекулы вещества X) эквивалентна одному иону водорода (в данной кислотно-основной реакции) или одному электрону (в данной окислительно-восстановнтельной реакции) Фактор эквивалентности f экв (Х) рассчитывают на основании стехиометрии (соотношении участвующих частиц) в конкретном химическом процессе:

f экв (Х) = 1/ Z x

где Z x . - число замещенных или присоединенных ионов водорода (для кислотно-основных реакций) или число отданных или принятых электронов (для окислительно-восстановительных реакций);

Х - химическая формула вещества.

Фактор эквивалентности всегда равен или меньше единицы. Будучи умноженным на относительную молекулярную массу, он дает значение эквивалентной массы (Е) .

Для реакции

H 2 SО 4 + 2 NaOH = Na 2 SО 4 + 2 H 2

f экв (H 2 SО 4) = 1/2, f экв (NaOH) = 1

f экв (H 2 SО 4) = 1/2, т.е. это означает, что ½ молекулы серной кислоты дает для данной реакции 1 ион водорода (Н +), а соответственно f экв (NaOH) = 1 означает, что одна молекула NaOH соединяется в данной реакции с одним ионом водорода.

Для реакции

10 FeSО 4 + 2 KMnО 4 + 8 H 2 SО 4 = 5 Fe 2 (SО 4) 3 + 2 MnSО 4 + K 2 SО 4 + 8 H 2 О

2 МпО 4 - + 8Н + +5е - → Мп 2+ – 2e - + 4 Н 2 О

5 Fe 2+ – 2e - → Fe 3+

f экв (KMnО 4) = 1/5 (кислая среда), т.е. 1/5 молекулы KMnО 4 в данной реакции эквивалентна 1 электрону. При этом f экв (Fe 2+) = 1, т.е. один ион железа (II) также эквивалентен 1 электрону.

Эквивалент вещества Х – реальная или условная частица, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному нону водорода или в данной окислительно-восстановительной реакции – одному электрону.

Форма записи эквивалента: f экв (Х) Х (см. табл.), или упрощенно Э х, где Х –химическая формула вещества, т.е. [Э х = f экв (Х) Х]. Эквивалент безразмерен.

Эквивалент кислоты (или основания) – такая условная частица данного вещества, которая в данной реакции титрования высвобождает один ион водорода или соединяется с ним, или каким-либо другим образом эквивалентна ему.

Например, для первой из вышеуказанных реакций эквивалент серной кислоты - это условная частица вида ½ H 2 SО 4 т.е. f экв (H 2 SО 4) = 1/Z= ½; ЭH 2 SО 4 = ½ H 2 SО 4 .

Эквивалент окисляющегося (или восстанавливающегося) вещества - это такая условная частица данного вещества, которая в данной химической реакции может присоединять один электрон или высвобождать его, или быть каким-либо другим образом эквивалентна этому одному электрону.

Например, при окислении перманганатом в кислой среде эквивалент марганцевокислого калия – это условная частица вида 1/5 КМпО 4 , т.е. ЭКМпО 4 =1/5КМпО 4 .

Так как эквивалент вещества может меняться в зависимости от реакции, в которой это вещество участвует, необходимо указывать соответствующую реакцию.

Например, для реакции Н 3 РО 4 + NaOH = NaH 2 PО 4 + H 2 O

эквивалент фосфорной кислоты Э Н 3 РО 4 == 1 Н 3 РО 4 .

Для реакции Н 3 РО 4 + 2 NaOH = Na 2 HPО 4 + 2 H 2 O

ее эквивалент Э Н 3 РО 4 == ½ Н 3 РО 4 ,.

Принимая во внимание, что понятие моля позволяет пользоваться любыми видами условных частиц, можно дать понятие молярной массы эквивалента вещества X. Напомним, что моль – это количество вещества, содержащее столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12 С (6,02 10 23). Под реальными частицами следует понимать атомы, ионы, молекулы, электроны и т.п., а под условными – такие как, например, 1/5 молекулы КМпО 4 в случае О/В реакции в кислой среде или ½ молекулы H 2 SО 4 в реакции с гидроксидом натрия.

Молярная масса эквивалента вещества – масса одного моля эквивалентов этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности f экв (Х) на молярную массу вещества М (Х) 1 .

Молярную массу эквивалента обозначают как М [f экв (Х) Х] или с учетом равенства Э х = f экв (Х) Х ее обозначают М [Э х ]:

М (Э х)= f экв (Х) М (Х); М [Э х ] = М (Х) /Z

Например, молярная масса эквивалента КМпО 4

М (ЭКМпО 4) =1/5КМпО 4 = М 1/5 КМпО 4 = 31,6 г/моль.

Это означает, что масса одного моля условных частиц вида 1/5КМпО 4 составляет 31,6 г/моль. По аналогии молярная масса эквивалента серной кислоты М ½ H 2 SО 4 = 49 г/моль; фосфорной кислоты М ½ H 3 РО 4 = 49 г/моль и т.д.

В соответствии с требованиями Международной системы (СИ) именно молярная концентрация является основным способом выражения концентрации растворов, но как уже отмечалось, на практике чаще применяется массовая концентрация .

Рассмотрим основные формулы и соотношения между способами выражения концентрации растворов (см. табл. 1 и 2).

Любое вещество состоит из частиц определенной структуры (молекул или атомов). Молярная масса простого соединения рассчитывается по периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Если необходимо выяснить данный параметр у сложного вещества, то подсчет получается долгим, и в данном случае цифру смотрят в справочнике или химическом каталоге, в частности Sigma-Aldrich.

Понятие молярной массы

Молярная масса (М) - вес одного моля вещества. Данный параметр по каждому атому можно найти в периодической системе элементов, он расположен прямо под названием. При расчете массы соединений цифра обычно округляется до целой или десятой доли. Для окончательного понимания того, откуда берется данное значение, необходимо разобраться в понятии «моль». Это количество вещества, содержащее число частиц последнего, равное 12 г устойчивого изотопа углерода (12 С). Атомы и молекулы веществ варьируют по своему размеру в широких пределах, при этом их число в моле постоянно, однако масса увеличивается и, соответственно, объем.

Понятие «молярная масса» тесно связано с числом Авогадро (6,02 х 10 23 моль -1). Эта цифра обозначает постоянное количество единиц (атомов, молекул) вещества в 1 моле.

Значение молярной массы для химии

Химические вещества вступают в различные реакции между собой. Обычно в уравнении любого химического взаимодействия указано, сколько молекул или атомов при этом используется. Такие обозначения получили название стехиометрические коэффициенты. Обычно они указываются перед формулой. Поэтому количественная характеристика реакций зиждется на количестве вещества и молярной массе. Именно они четко отражают взаимодействие друг с другом атомов и молекул.

Расчет молярной массы

Атомный состав любого вещества или смеси из компонентов известной структуры можно посмотреть по периодической системе элементов. Неорганические соединения, как правило, записываются брутто-формулой, то есть без обозначения структуры, а только числа атомов в молекуле. Органические вещества для подсчета молярной массы обозначаются таким же образом. Например, бензол (C 6 H 6).

Каким образом рассчитывается молярная масса? Формула включает тип и количество атомов в молекуле. По таблице Д.И. Менделеева проверяются молярные массы элементов, и каждая цифра умножается на число атомов в формуле.

Исходя из молекулярной массы и типа атомов, можно рассчитать их количество в молекуле и составить формулу соединения.

Молярная масса элементов

Часто для проведения реакций, расчетов в аналитической химии, расстановки коэффициентов в уравнениях требуется знание молекулярной массы элементов. Если в молекуле содержится один атом, то данное значение будет равно таковому у вещества. При наличии двух и более элементов молярная масса умножается на их число.

Значение молярной массы при подсчете концентраций

Данный параметр используется для пересчета практически всех способов выражения концентраций веществ. Например, часто возникают ситуации определения массовой доли исходя из количества вещества в растворе. Последний параметр выражается в единице измерения моль/литр. Для определения нужного веса количество вещества умножается на молярную массу. Получено значение уменьшается в 10 раз.

Молярная масса используется для подсчета нормальности вещества. Данный параметр используется в аналитической химии для проведения методов титри- и гравиметрического анализа при необходимости точного проведения реакции.

Измерение молярной массы

Первый исторический опыт заключался в измерении плотности газов по отношению к водороду. Далее были проведены исследования коллигативных свойств. К ним относится, например, осмотическое давление, определение разницы кипения или замерзания между раствором и чистым растворителем. Это параметры напрямую коррелируют с количеством частиц вещества в системе.

Иногда измерение молярной массы проводится у вещества неизвестного состава. Раньше применяли такой способ, как изотермическая перегонка. Его суть заключается в помещении раствора вещества в камеру, насыщенную парами растворителя. В данных условиях происходит конденсация паров и температура смеси повышается, достигает равновесия и начинает снижаться. Выделившаяся теплота испарения рассчитывается по изменению показателя нагрева и охлаждения раствора.

Основным современным методом измерения молярной массы является масс-спектрометрия. Это основной способ идентификации смесей веществ. С помощью современных приборов данный процесс происходит автоматически, только первоначально нужно подобрать условия разделения соединений в пробе. Метод масс-спектрометрии основан на ионизации вещества. В результате образуются различные заряженные фрагменты соединения. На масс-спектре обозначается отношение массы к заряду ионов.

Определение молярной массы для газов

Молярная масса любого газа или пара измеряется просто. Достаточно использовать контроль. Один и тот же объем газообразного вещества равен по количеству вещества другому при одинаковой температуре. Известным способом измерения объема пара является определение количество вытесненного воздуха. Такой процесс осуществляется с использованием бокового отвода, ведущего к измерительному устройству.

Практическое использование молярной массы

Таким образом, понятие молярной массы в химии используется повсеместно. Для описания процесса, создания полимерных комплексов и других реакций необходим расчет данного параметра. Важным моментом является определение концентрации действующего вещества в фармацевтической субстанции. Например, с использованием культуры клеток исследуются физиологические свойства нового соединения. Кроме того, молярная масса важна при проведении биохимических исследований. Например, при изучении участия в обменных процессах элемента. Сейчас структура многих ферментов известна, поэтому есть возможность подсчитать их молекулярную массу, которая в основном измеряется килодальтонах (кДа). Сегодня известны молекулярные массы почти всех составляющих крови человека, в частности, гемоглобина. Молекулярная и молярная масса вещества в определенных случаях являются синонимами. Отличия их заключаются в том, что последний параметр является средним для всех изотопов атома.

Любые микробиологические эксперименты при точном определении влияния вещества на систему ферментов проводятся с использованием молярных концентраций. Например, в биокатализе и других областях, где необходимо исследование энзиматической активности, применяются такие понятия, как индукторы и ингибиторы. Для регуляции активности фермента на биохимическом уровне необходимо исследование с использованием именно молярных масс. Данный параметр вошел прочно в области таких естественных и инженерных наук, как физика, химия, биохимия, биотехнология. Процессы, охарактеризованные таким образом, становятся более понятными с точки зрения механизмов, определения их параметров. Переход от фундаментальной науки к прикладной не обходится без показателя молярной массы, начиная от физиологических растворов, буферных систем и заканчивая определением дозировок фармацевтических веществ для организма.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства