Что можно измерить в химии

Концентрация растворов. Способы выражения концентрации растворов.

Концентрация раствора может выражаться как в безразмерных единицах (долях, процентах), так и в размерных величинах (массовых долях, молярности, титрах, мольных долях).

Способы выражения концентрации растворов.

1. Массовая доля (или процентная концентрация вещества) – это отношение массы растворенного вещества m к общей массе раствора. Для бинарного раствора, состоящего из растворённого вещества и растворителя:

,

ω – массовая доля растворенного вещества;

m_в-ва – масса растворённого вещества;

Массовую долю выражают в долях от единицы или в процентах.

2. Молярная концентрация или молярность – это количество молей растворённого вещества в одном литре раствора V:

,

C – молярная концентрация растворённого вещества, моль/л (возможно также обозначение М, например, 0,2 М HCl);

n – количество растворенного вещества, моль;

V – объём раствора, л.

Раствор называют молярным или одномолярным, если в 1 литре раствора растворено 1 моль вещества, децимолярным – растворено 0,1 моля вещества, сантимолярным – растворено 0,01 моля вещества, миллимолярным – растворено 0,001 моля вещества.

3. Моляльная концентрация (моляльность) раствора С(x) показывает количество молей n растворенного вещества в 1 кг растворителя m:

,

С (x) – моляльность, моль/кг;

n – количество растворенного вещества, моль;

4. Титр – содержание вещества в граммах в 1 мл раствора:

,

T – титр растворённого вещества, г/мл;

m_в-ва – масса растворенного вещества, г;

5. Мольная доля растворённого вещества – безразмерная величина, равная отношению количества растворенного вещества n к общему количеству веществ в растворе:

,

N – мольная доля растворённого вещества;

n – количество растворённого вещества, моль;

n_р-ля – количество вещества растворителя, моль.

Сумма мольных долей должна равняться 1:

Иногда при решении задач необходимо переходить от одних единиц выражения к другим:

М(Х) – молярная масса растворенного вещества;

ρ= m/(1000V) – плотность раствора. 6. Нормальная концентрация растворов (нормальность или молярная концентрация эквивалента) – число грамм-эквивалентов данного вещества в одном литре раствора.

Грамм-эквивалент вещества – количество граммов вещества, численно равное его эквиваленту.

Эквивалент – это условная единица, равноценная одному иону водорода в кислотоно-основных реакциях или одному электрону в окислительно – восстановительных реакциях.

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.

,

С_Н – нормальная концентрация, моль-экв/л;

z – число эквивалентности;

Коэффициент растворимости – отношение массы вещества, образующего насыщенный раствор при конкретной температуре, к массе растворителя:

Источник

Химические величины, способы их выражения и измерения. Аналитический сигнал, градуировочная функция

Метрологические основы аналитической химии

Любая методика химического анализа имеет своей задачей извлечение информации о веществе с использованием тех или иных средств измерений. Таким образом, методика анализа есть сложная, многостадийная измерительная процедура. Именно на стадии измерения (и последующей обработки и интерпретации результатов) ярко проявляется глубокое внутреннее единство самых различных методов анализа, а закономерности измерения химических величин имеют фундаментальное значение для всех разделов аналитической химии, составляя, по существу, ее философский базис. Изучением общих вопросов, связанных с измерением, обработкой и интерпретацией результатов химического анализа занимается специальный раздел аналитической химии, называемый химической метрологией.

Химические величины, способы их выражения и измерения. Аналитический сигнал, градуировочная функция

. (1)

Из определения понятия «количество вещества» следует, что прямые, непосредственные измерения химических величин невозможны. Действительно, непосредственно измерить количество какого-либо вещества в образце означало бы пересчитать в нем поштучно все частицы определенного сорта, что технически неосуществимо. Однако существует множество физических величин, вполне доступных прямым измерениям и функционально связанных с содержанием вещества. Например, масса (m) любого чистого вещества пропорциональна его количеству:

. (3)

В окрашенных растворах существует связь между концентрацией светопоглощающего вещества и оптической плотностью A:

(основной закон светопоглощения). И так далее. Таким образом, едва ли не любая механическая, оптическая или электрическая величина может при тех или иных условиях быть связанной с содержанием вещества и, следовательно, быть использованной для его определения. В общем случае такая физическая величина называется аналитическим сигналом (y). Функциональную связь между аналитическим сигналом и содержанием (например, концентрацией) можно представить как

Функция f, связывающая содержание и аналитический сигнал, называется градуировочной функцией.

Общая схема измерения содержания вещества состоит в следующем.

1. Установление градуировочной функции f.

2. Измерение аналитического сигнала анализируемого образца y.

3. Нахождение по величине y с помощью функции f содержания определяемого компонента c.

Таким образом, все измерения химических величин являются косвенными, основанными на использовании градуировочной функции. Ввиду ключевой роли градуировочной функции в процессе химических измерений рассмотрим это понятие подробнее.

Источник

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Количество вещества (n) – это физическая величина, которая характеризует число структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов, протонов, эквивалентов и др.) в определенной порции вещества.

Единица измерения количества вещества – моль.

Необходимо указывать, к каким структурным единицам относится понятие моль, например, «моль молекул водорода», «моль атомов водорода», «моль ионов водорода», «моль эквивалентов» и др.

Молярная масса – масса 1 моль вещества. Единица измерения г/моль.

Например, М(Н₂О) = 18 г/моль, М(NaOH) = 40 г/моль, М(HNO₃) = 63 г/моль.

Эквивалент – реальная или условная частица вещества, которая может замещать, присоединять, высвобождать один ион водорода в кислотно-основных или ионообменных реакциях или один электрон в окислительно-восстановительных реакциях.

Молярная масса эквивалентов – физическая величина, измеряемая произведением молярной массы вещества на фактор эквивалентности.

Молярная масса эквивалентов – масса 1 моль эквивалентов, т.е. 6,02·10 23 эквивалентов. Обозначение М(f_экв.Х), М( Х), М_э(Х). Единица измерения г/моль.

Фактор эквивалентности – число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества Х эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной окислительно-восстановительной реакции.

Молярная масса – это абсолютная константа индивидуального вещества, молярная масса эквивалентов – константа вещества в конкретной реакции.

· в окислительно-восстановительной реакции – число электронов, которые отдает или присоединяет частица в данной окислительно-восстановительной реакции.

Ниже приведены формулы для вычисления молярных масс эквивалентов сложных веществ:

Современные рекомендуемые обозначения физических величин, примеры их записи и расчета	Ранее используемые обозначения физических величин, примеры их записи и расчета
М( оксида)= ·М(оксида) М( Al2O3)= ·102= 17(г/моль)
М( кислоты)= ·М(кислоты) М( H2SeO4)= ·145=72,5(г/моль)
М( основания)= ·М(основания) М( Ca(OH)2)= ·74=37(г/моль)
М( соли)= ·М(соли) М( Fe2(SO4)3)= ·400=66,67(г/моль)

Молярная масса эквивалентов одного и того же вещества зависит от течения реакции:

В первом случае молярная масса эквивалентов H₂SO₄ равна ее молярной массе, во втором – половине молярной массы, так как в первом случае в реакции принимает участие один ион водорода (основность равна 1, f_экв= ), а во втором – два иона водорода (основность равна 2, f_экв= ).

М( H₂SO₄)=1 М(H₂SO₄)=98 (г/моль) или

М( H₂SO₄)= М(H₂SO₄)=49( г/моль) или

Для определения фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции необходимо написать уравнение реакции и электронный баланс реакции.

Например, для реакции взаимодействия натрия и серы запишем уравнение реакции и электронный баланс:

Каждый атом натрия отдает один электрон, а каждый атом серы принимает два электрона. Поэтому

Молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

A_r (Na) = 23, M(Na) = 23 г/моль, М_экв(Na) = (1/1)·23 = 23 (г/моль);

A_r (S) = 32, M (S) = 32 г/моль, М_экв(S) = (1/2)·32 = 16 (г/моль).

Закон эквивалентов.

Закон эквивалентов дает количественное соотношение между массами вступающих во взаимодействие реагентов или связанных в химических соединениях элементов.

=

Из последнего соотношения следует:

= ,

т.е. число моль эквивалентов вступающих в реакцию или образующихся в результате реакции веществ равны между собой:

Количественным выражением закона эквивалентов для реакций, протекающих в растворах, является соотношение:

,

где с_н – нормальная концентрация вещества (молярная концентрация эквивалента).

Примеры решения типовых задач.

Пример 1. Расчет количества вещества по числу структурных единиц.

Задача 1. Какое количество вещества гидроксида меди (II) содержит 1,505·10 23 атомов водорода?

Решение. Количество вещества гидроксид-ионов в гидроксиде меди (II), выраженное в моль, составляет:

(Cu(OH)₂) = .

Пример 2.Расчет молярной массы эквивалента элемента по составу химического соединения на основе закона эквивалентов.

Задача 1. Оксид металла содержит 28,57% кислорода. Определите молярную массу эквивалента металла.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов массы связанных между собой в химическом соединении металла m(Me)и кислорода m(O) пропорциональны молярным массам их эквивалентов

= (1)

Полагая массу оксида равной 100 г, имеем m(O)=28,57 г и m(Me)=71,43г. Поскольку молярная масса эквивалента кислорода М_э(О)=8г/моль, из выражения 1 находим молярную массу эквивалента металла:

М_э(Ме)=

Пример 3.Расчет молярной массы эквивалента вещества по массе и объему участвующих в реакции веществ на основе закона эквивалентов.

Задача 1. 2,14 г металла вытесняют из кислоты 2 л водорода (н.у.). Вычислите молярную массу эквивалента металла.

Решение. Согласно закону эквивалентов количество вещества эквивалентов металла равно количеству вещества эквивалентов водорода

(2)

_э.(Me) _{= ; э.}(H₂) _{= ,} где (3)

(H₂) – эквивалентный объем водорода, равный

;

V_m – молярный объем газа при н.у., равный 22,4 л/моль.

Тогда в соответствии с выражениями (2) и (3)

_, откуда

.

Пример 4.Расчет молярной массы эквивалента элемента по соотношению масс реагента и продукта реакции на основе закона эквивалентов.

Задача 1. Из 3,85 г нитрата металла получено 1,6 г его гидроксида. Вычислите молярную массу эквивалента металла.

Решение. В соответствии с законом эквивалентов соотношение масс нитрата и гидроксида металла равно

= (4)

Молярные массы эквивалентов нитрата и гидроксида металла равны

Подставляя эти выражения в уравнение (4) имеем

= или = .

Решая последнее уравнение относительно M_э(Me), имеем

Пример 5.Определение молекулярной массы газообразного вещества на основе его плотности.

Задача 1. Масса 1 л газа при н.у. равна 1,175 г. Вычислите молекулярную массу газа и массу одной молекулы газа.

Решение. Поскольку один моль газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л, его молярная масса равна

М(газа) = 1,175·22,4 = 26,32 (г/моль).

Поскольку в 1 моль любого вещества содержится 6,02·10 23 молекул, масса одной молекулы определяется по формуле

m=

Пример 6.Определение фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции.

Задача 1. При взаимодействии алюминия и серы образуется сульфид алюминия. Вычислите факторы эквивалентности и молярные массы эквивалентов алюминия и серы.

Решение. Фактор эквивалентности – это число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции.

Реакция взаимодействия алюминия и серы протекает согласно уравнению:

Каждый атом алюминия отдает три электрона, а каждый атом серы принимает два электрона. Поэтому

Молярная масса эквивалента вещества – это масса вещества, эквивалентная 1 моль ионов водорода в кислотно-основной реакции или 1 моль электронов в окислительно-восстановительной реакции. Молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

A_r (Al) = 27; M(Al) = 27 г/моль; М_экв (Al) = 1/3·27 = 9 г/моль;

A_r (S) = 32; M(S) = 32 г/моль; М_экв(S) = 1/2·32 = 16 г/моль.

Источник