Способы выражения концентрации растворов

Массовая доля растворённого вещества (ω)
Молярная концентрация (c)
Нормальность раствора (c_Н)
Моляльность раствора (c_m)
Титр раствора (T)

Одной из важнейших характеристик раствора является концентрация, выражающая содержание растворенного вещества в определенном количестве раствора или растворителя. В каждом растворе содержание вещества различно, поэтому важно знать количественный состав раствора. Существуют различные способы выражения концентрации растворов. Наиболее часто используют массовую долю растворённого вещества, молярную и нормальную концентрацию.

Массовая доля растворённого вещества ω_B – это безразмерная величина, равная отношению массы растворённого вещества m_B к общей массе раствора m:

ω_B = m_B / m

Так как масса растворенного вещества всегда меньше массы раствора, это соотношение всегда меньше единицы. Массовую долю растворённого вещества ω_B выражают в долях единицы или, чаще всего, в процентах, поэтому такая концентрация называется процентной:

c_% = ( m_B / m ) × 100%,

где
m_B – масса растворенного вещества в г,
m – масса раствора в г.

Процентная концентрация показывает, сколько граммов растворенного вещества содержится в 100 граммах раствора. Например, массовая доля растворённого вещества NaCl в воде равна 0,05 или 5%. Это означает, что в 100 г раствора содержится 5 г хлорида натрия и соответственно 95 г воды.

Пример:

Сколько грамм сульфата калия и воды нужно для приготовления 300 г 5% раствора?

Решение:

m (K₂SO₄) = ω (K₂SO₄) × m / 100 = (5 × 300) / 100 = 15 г

где ω (K₂SO₄) – массовая доля сульфата калия в %,

m – масса раствора в г

m (H₂O) = 300 г – 15 г = 285 г.

Таким образом, для приготовления 300 г 5% раствора сульфата калия надо взять 15 г K₂SO₄ и 285 г воды.

На практике при определении количества жидкого растворителя или раствора измеряют их объем V. Для определения массы жидкости в этом случае используют ее плотность ρ, то есть

m = V × ρ

Как правило, плотность растворов измеряется в г/мл или, что одно и то же, в г/см³. Поэтому при использовании этой зависимости объем раствора должен измеряться в миллилитрах.

Вернуться к содержанию

Молярная концентрация c_B показывает, сколько молей растворённого вещества содержится в 1 литре раствора:

c_B = n_B / V = m_B / (M_B × V),

где
n_B – количество вещества в моль,
V – объем раствора в л,
m_B – масса растворенного вещества в г,
М_B – молярная масса растворенного вещества в г/моль.

Молярная концентрация измеряется в моль/л и обозначается «M». Например, 2 M NaOH – двухмолярный раствор гидроксида натрия. Один литр такого раствора содержит 2 моль вещества или 80 г (M (NaOH) = 40 г/моль).

Пример:

Какую массу хромата калия K₂CrO₄ нужно взять для приготовления 1,2 л 0,1 М раствора?

Решение:

m (K₂CrO₄) = c (K₂CrO₄) × M (K₂CrO₄) × V = 0,1 моль/л × 194 г/моль × 1,2 л = 23,3 г.

Таким образом, для приготовления 1,2 л 0,1 М раствора нужно взять 23,3 г K₂CrO₄ и растворить в воде, а объём довести до 1,2 литра.

Вернуться к содержанию

Нормальность раствора обозначает число грамм-эквивалентов данного вещества в одном литре раствора или число миллиграмм-эквивалентов в одном миллилитре раствора. Грамм-эквивалентом вещества называется количество граммов вещества, численно равное его эквиваленту. Для сложных веществ – это количество вещества, соответствующее прямо или косвенно при химических превращениях 1 грамму водорода или 8 граммам кислорода. Эквивалент – это условная единица, равноценная одному иону Н⁺ в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.

Э_{основания} = М_{основания} / число замещаемых в реакции гидроксильных групп;

Э_{кислоты} = М_{кислоты} / число замещаемых в реакции атомов водорода;

Э_соли = М_соли / произведение числа катионов на его заряд.

Пример:

Вычислите значение грамм-эквивалента (г-экв) серной кислоты, гидроксида кальция и сульфата алюминия.

Решение:

Э (H₂SO₄) = М (H₂SO₄) / 2 = 98 / 2 = 49 г

Э (Ca(OH)₂) = М (Ca(OH)₂) / 2 = 74 / 2 = 37 г

Э (Al₂(SO₄)₃) = М (Al₂(SO₄)₃) / (2 × 3) = 342 / 6 = 57 г

На практике нормальную концентрацию по аналогии с молярной выражают в моль/л (в специальной литературе можно встретить написание г-экв/л или моль-экв/л).

c_Н = m_B / ( Э_B × V ),

где
m_B – масса растворенного вещества в г,
Э_B – грамм-эквивалент вещества,
V – объем раствора в л (или дм³).

Этот способ выражения концентрации растворов применяется в тех случаях, когда растворенное вещество участвует в какой-либо реакции, и для выполнения расчетов, где удобно применить закон эквивалентов.

Величины нормальности обозначают буквой «Н» (или «N»). Например, децинормальный раствор серной кислоты обозначают «0,1 Н раствор H₂SO₄». Так как нормальность может быть определена только для данной реакции, то в разных реакциях величина нормальности одного и того же раствора может оказаться неодинаковой. Так, одномолярный раствор H₂SO₄ будет однонормальным, когда он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата NaHSO₄, и двухнормальным в реакции с образованием Na₂SO₄.

Пример:

Рассчитайте молярность и нормальность 70%-ного раствора H₂SO₄ (ρ = 1,615 г/мл).

Решение:

Для вычисления молярности и нормальности надо знать число граммов H₂SO₄ в 1 л раствора. 70% -ный раствор H₂SO₄ содержит 70 г H₂SO₄ в 100 г раствора. Это весовое количество раствора занимает объём:

V = m / ρ = 100 / 1,615 = 61,92 мл

Следовательно, в 1 л раствора содержится 70 × 1000 / 61,92 = 1130,49 г H₂SO₄. Отсюда, молярность данного раствора равна:

c (H₂SO₄) = m (H₂SO₄) / М (H₂SO₄) = 1130,49 / 98 = 11,53 M

Нормальность этого раствора (считая, что кислота используется в реакции в качестве двухосновной) равна:

c_Н (H₂SO₄) = m (H₂SO₄) / ( Э (H₂SO₄) × V ) = 1130,49 / ( 49 × 1 ) = 23,06 H

Вернуться к содержанию

Этот способ выражения концентрации растворов встречается довольно редко. Обычно необходимость его использования возникает в тех случаях, когда обсуждается влияние концентрации на изменение температуры замерзания или кипения раствора по сравнению с чистым растворителем.

Моляльная концентрация показывает, сколько молей растворенного вещества приходится на 1000 г растворителя. Моляльность может быть рассчитана по формуле:

c_m = ( m_B × 1000 ) / ( М_B × m ),

где
m_B – масса растворенного вещества в г,
М_B – молярная масса растворенного вещества в г/моль,
m – масса растворителя в г.

Вернуться к содержанию

В аналитической химии используется также понятие «титр раствора». Титр показывает, сколько граммов растворённого вещества содержится в 1 мл (см³) раствора:

Т = m_B / V,

где
m_B – масса вещества в г, взятая для приготовления заданного объема титрованного раствора,
V – заданный объем титрованного раствора в мл.

Вернуться к содержанию

1.  «Техника лабораторных работ и способы выражения концентрации растворов» (Рогатых С.В., Головина Т.П. 2021) (скачать pdf).
2.  «Общая химия. Методические указания к выполнению контрольных заданий для студентов первого курса всех специальностей» (Васильев В.В., Кольчугин А.В., Ополовников В.Р., Прияткин Г.М. 2014) (скачать pdf).
3.  «Методические указания и рекомендации по приготовлению титрованных растворов» (Петров А.Ю., Мельникова О.А., Мельников М.Ю., Кинев М.Ю., Киршина О.В. 2014) (скачать pdf).