Коми филиал ГБОУ ВПО Кировская государственная медицинская академия Минздравсоцразвития России

Кафедра химии, физики и биологии

Занятие № 4 по Химии.

Руководство для студентов.

Тема: Растворы. Способы выражения концентраций растворов.

Теоретические аспекты

Растворы - это однородные (гомогенные) системы, состоящие из двух и более компонентов и продуктов их взаимодействия, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Химический состав и физические свойства всех частей раствора одинаковы.

Всякий раствор состоит из растворенного вещества (растворенных веществ) и растворителя – среды, в которой это вещество равномерно распределено в виде молекул и ионов. Растворителем обычно считается тот компонент, который в чистом виде существует в том же агрегатном состоянии, что и полученный раствор. Если оба компонента раствора до их смешивания находились в одинаковом агрегатном состоянии, то растворителем считается компонент, находящийся в большем количестве. Деление на растворитель и растворенные вещества является условным и применяется в основном для жидких растворов.

В медицинской практике наибольшее значение имеют жидкие растворы, в которых растворителем является вода. Все биохимические и физико - химические процессы в живых организмах происходят в водной среде. Растворами являются плазма крови и лимфа, спинномозговая жидкость. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии в организме. Изучение свойств водных растворов показывает, что их поведение подчиняется ряду законов, которые необходимо учитывать в медицинской практике.

Растворимость веществ зависит от их природы и свойств растворителя, температуры и давления (при растворении газа). Растворимостью называют способность данного вещества растворяться в том или ином растворителе при данных условиях. Количественно растворимость характеризуется концентрацией насыщенного раствора при определенных температуре и давлении.

Раствор, находящийся в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества называется насыщенным. Раствор, который содержит меньшее количество растворенного вещества, чем в насыщенном растворе при тех же условиях, называется ненасыщенным.

Насыщенные растворы применяют сравнительно редко. В большинстве случаев используют ненасыщенные растворы, содержащие меньше растворенного вещества, чем его содержит при данной температуре насыщенный раствор. При этом растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными, с высоким – концентрированными. Называя раствор разбавленным или концентрированным, характеризуют лишь сравнительные качества раствора.

Количественный состав раствора задают с помощью концентрации – характеристики раствора, определяющей пропорции, в которых смешаны растворенные вещества и растворитель. В общем случае концентрация – это относительное содержание вещества в растворе. Существуют весовые и объемные способы задания концентрации раствора.

Обозначим: А – растворенное вещество, В – растворитель.

Массовой долей растворенного вещества (А) называется отношение его массы m(A) к массе раствора m_р-р:

(2.1)

где 0  ω(А)  1, а масса раствора может быть определена: m_р-р= m(A) + m(B)

или m_р-р.= V_р-р[мл]  [г/мл], где V_р-р – объем раствора; _р-р – его плотность.

Безразмерную величину ω(А) часто выражают в процентах: ω(A) = ω (A)  100

Поскольку (А) + (В) = 1, то массовая доля растворителя может быть легко определена по уравнению: (B) = 1 – (A).

Массы растворенного вещества А и растворителя В в растворе легко могут быть найдены по формулам:

m(A) = m_р-р  (А) = V_р-р. _р-р  (А) m(B) = m_р-р – m(A) = m_р-р  (1 – (А))

Молярная доля (А) – это отношение количества молей вещества данного компонента раствора к сумме чисел молей всех компонентов раствора; в частности, растворенного вещества (А) и растворителя (В):

(2.2)

Молярная доля выражается в долях единицы: 0   < 1 или в процентах.

Из концентраций, которые выражаются размерными величинами, наиболее употребительны следующие.

Молярную концентрацию растворенного вещества с(А) рассчитывают как отношение количества вещества (А) [моль] к объему раствора V_р-р [л], выраженному в литрах, и она показывает число моль А, приходящееся на 1 литр раствора:

с(A) = , (2.3)

откуда (А) = с(А)[моль/л]  V_р-р[л] и

m(A) = c(A)[моль/л] V_р-р[л]  M(A)[ г/моль].

Для обозначения молярной концентрации используется символ М (после численного значения молярной концентрации), например, 1М – одномолярный раствор, с(А) = 1 моль/л; 0,1М – децимолярный раствор, с(А) = 0,1 моль/л; 0,01М – сантимолярный раствор, с(А) = 0,01 моль/л.

На практике часто используют массовую (весовую) объемную концентрацию, определяемую как отношение массы растворенного вещества, выраженной в граммах, миллиграммах и др., к объему раствора, выраженному в литрах:

с_m(А)[г/л] = , (2.4)

тогда m(А) = с_m(А) [г/л]V_р-р[л]

Между концентрациями (A), с(А)[моль/л] и c_m(A)[г/л] существует связь:

с(А) = , (2.5)

с_m(А) = с(А)М(А) и (2.6)

(А) = , (2.7)

где с(А) – молярная концентрация вещества А, моль/л; ρ – плотность раствора, г/мл; (A) – массовая доля вещества А (доли единицы); М(А) – молярная масса вещества А, г/моль; 1000 – коэффициент пересчета размерностей.

Для твердых и газообразных растворенных веществ существует предельное количество вещества, которое при данных условиях может быть растворено в определенной массе или объеме растворителя. Образующийся при этом раствор называется насыщенным, а его концентрация соответствует растворимости данного вещества.

В справочниках из соображений удобства растворимость веществ S при разных условиях выражают не в виде концентраций насыщенных растворов - (А) или с(А), а указывают для твердых веществ – массу вещества А, растворимую в 100 г растворителя (Н₂О) при температуре t C [г100г Н₂О]; для газообразных веществ – объем газа, растворимого в 1л растворителя (Н₂О) при температуре tC и давлении p[Па]. Например, растворимость хлорида калия в 100г воды при 25 С обозначается S(KCl) = 36,0 (25⁰С). На основе этих данных легко рассчитать обычные концентрации (А) и с(А) насыщенных растворов.

Молярная концентрация эквивалента с(1/z A) [моль/л] вещества А в растворе – отношение количества вещества эквивалента (1/zA)[моль] к объему раствора V_р-р[л], которое показывает число молей эквивалента вещества в 1л:

с[моль/л] = (2.8)

где – 1/z фактор эквивалентности вещества.

Уравнение связи между концентрацией эквивалента и молярной концентрацией: С(1/z A) = z · с(А),

где z – число эквивалентности.

Молярная концентрация эквивалента известна в практике химического анализа как нормальная концентрация. Для обозначения нормальной концентрации используют символ “н” (после численного значения молярной концентрации эквивалента), например, 1н – однонормальный раствор, т.е. с(1/z A) = 1 моль/л; 0,1н – децинормальный раствор или с(1/z A) = 0,1 моль/л; 0,01н – сантинормальный раствор или с(1/z A) = 0,01 моль/л.

Таким образом, молярная концентрация эквивалента или нормальная концентрация показывает количество вещества эквивалента частиц сорта А в 1 л раствора.

Молярная концентрация эквивалента или нормальная концентрация наиболее широко используется в практике химического анализа при решении экспериментальных задач, в частности в объемном анализе при титровании. Главной теоретической основой объемного анализа является закон эквивалентов (1.1), который позволяет рассчитать количество анализируемого вещества по результатам титрования.

Титр раствора Т равен отношению массы растворенного вещества (m, г) к объему раствора (V_р-р, мл):

T[г/мл] = m[г] / V_р-р[мл] (2.9)

Титр раствора показывает массу растворенного вещества в 1 мл раствора. (Не отожествлять с плотностью раствора!).

Титр при известной нормальной концентрации раствора рассчитывают по формуле:

Т =, (2.10)

где М(1/z A) г/моль – молярная масса эквивалента вещества А.

Масса вещества (m, г) в определенном объеме раствора (V_р-р, мл), нормальная концентрация раствора (с(1/z A), моль/л) и молярная масса эквивалента (М(1/z A)г/моль) связаны соотношением:

m = сMV_р-р (2.11).

Удобным способом выражения нормальной концентрации раствора при массовых анализах является титр стандарта по определяемому веществу.

Титр стандарта по определяемому веществу – Тст/опр [г/мл] – равен массе анализируемого вещества А [г], которая взаимодействует с одним миллилитром раствора реагента R(стандартного раствора):

Тст/опр =, (2.12)

где с моль/л – нормальная концентрация стандартного раствора реагента;

М(1/z A) г/моль – молярная масса эквивалента определяемого вещества А.

Моляльная концентрация b(А) [моль/кг] – отношение количества вещества А [моль] в растворе к массе растворителя В [кг]:

b(А) =. (2.13)

Например: b(H₂SO₄) = 0,1моль/кг – децимоляльный раствор серной кислоты в одном килограмме растворителя (воды) содержится 0,1 моль H₂SO₄.