Концентрация раствора – количество вещества в единице объема. Самые популлярные в технологии – массовая и молярная концентрации.
В химии для расчетов удобны удельные величины.
В реальной технологии обычно используются не чистые вещества, а всевозможные смеси, растворы, сплавы. Например, рассматриваемая реакция протекает в растворе, и для ее проведения мы смешиваем некие количества исходных растворов. Если мы установили, что для полноты нейтрализации 10 мл раствора кислоты необходимо 20 мл раствора щелочи, то из соображений аддитивности ясно, что аналогичный результат будет и при смешивании 30 и 60 мл и любых других количеств в данном отношении 1:2. Для количественной обработки полученных результатов введено понятие концентрации, то есть количества данного вещества содержащегося в единичном количестве смеси. В химии растворов для этой цели используется молярная концентрация, выражающая количество молей вещества в единице объема раствора: С = /V, а в технологии – например, для приготовления раствора из навески соли - массовая концентрация, Cm = m/V. Переход от одного выражения к другому производят через молярную массу: = m/ = N/NA.
Какова молярная концентрация воды в чистом состоянии?
К
оличество
вещества выразим в сантимолях (децимолях),
т.е. в единицах, составляющих 1/100 моля
(1/10 моля). Возьмем с помощью весов 1
децимоль, т.е. 10 сантимолей, пересчитав
это количество на массу навески через
молярную массу. Например, 1 моль или
6,02·1023
молекул NaOH
состоит из 1 моля Na,
моля О и моля Н, поэтому его масса
составляет 22,99+16+1,01=40 г щелочи. Растворив
4 г щелочи в воде и доведя объем раствора
до одного литра, получим раствор с
децимолярной концентрацией
- 0,1 моль/л
или массовой 4 г/л.
Многие химические вещества, в частности, щелочи в процессе хранения набирают воду из-за влажности воздуха. Поэтому взятая навеска не точно определяет содержание вещества. В результате концентрация приготовленного раствора может оказаться меньше рассчитанной.
Проверить полученный результат можно титрованием. В данном случае пригодна реакция нейтрализации щелочи кислотой с точно известной концентрацией в присутствии метилоранжа, меняющего цвет при pH = 7:
NaOH + HCl = NaCl + H2O, (7)
или в ионной форме:
OH– + H+ = H2O.
Для этого определенную аликвоту, например, 25 мл приготовленного раствора, переносим в коническую колбу для титрования, подкрашиваем метилоранжем и добавляем некоторое количество (около 20% емкости колбы) дистиллированной воды для того, чтобы надежнее оценивать цвет в толще раствора. Далее, с помощью бюретки, приливаем соляную кислоту известной концентрации в приготовленный раствор при постоянном помешивании до момента изменения цвета индикатора. Этот момент соответствует кислотности раствора с pH = 7, то есть полной нейтрализации щелочи.
Расчет оттитрованной концентрации производят в соответствии с уравнением (7) с использованием схемы (3) – (6).
pH
Вода является слабым электролитом, то есть в малой степени она диссоциирует на ионы H+ и OH, при чем, в чистой воде при температуре 20 ˚С содержится 10-7 моль/л каждого из этих ионов.
H2O H+ + OH,
В кислой среде концентрация катионов водорода больше , а в щелочной – меньше 10-7 моль/л. Важное свойство водных растворов заключается в том, что при нормальных условиях произведение молярных концентраций – ионное произведение - [H+]∙[OH–]=10-14 сохраняется постоянным. Но с такими числами оперировать неудобно. Поэтому было введено понятие водородного показателя:
pH = -lg[H+] (11)
Следовательно, pH чистой воды равен 7. Это значение и соответствует условию нейтральности среды, а, следовательно, и признаком окончания реакции нейтрализации. В кислом растворе pH<7, в щелочном -- pH>7.
Запись [H+] означает молярную концентрацию катионов H+ в растворе, как говорят, выраженную в моль/л.
Точнее, это есть безразмерная величина, равная отношению действительной концентрации к стандартной концентрации, равной 1моль/л. Логарифм – суть функция, обратная показательной и представляет собой степень, в которую надо возвести основание логарифма, чтобы получилось число под логарифмом. Ясно, что значит 22, но 2 в степени, например, 2 метра абсолютно бессмысленно. Это касается любых математических функций.
(нормальность, моль-эквивалент/л)