Концентрацияны өрнектеу жолдары
Зат мөлшерінің өлшем бірліктері.Моль.Зат мөлшерінің өлшем бірлігі ретінде бір моль қабылданған. Бұл 0,012 кг көміртегінде қанша атом болса, сонша шартты бөлшегі , яғни құрамында 6,02045·1023 шартты бөлшегі бар зат мөлшері. Шартты бөлшек молекула, ион, электрон немесе бөлшектер тобы (мысалы, функционалды топ, молекуланың бөлігі, ассоциат, радикал және т.б.) болуы мүмкін. Бір сөзбен айтқанда, шартты бөлшек – кез-келген дискретті материалды бірлік. Кейбір шартты бөлшектер шын мәнінде кездесетін болса (Н2 молекуласы, IO3-), кейбіреуі шартты түрде болады (ерітіндідегі NaCl молекуласы, молекуланың жартысы, ерітіндідегі протон саны). Сондықтан шартты бөлшектердің «моль» бірлігі қолайлы және әдетте микрообъектілердің мөлшерін өрнектеу үшін қолданылады.
Заттың моль санын n символымен белгілейді. n(H+)=1,0·10-6 жазылуы 6,02·1023·10-6 протонды білдіреді; n(HCl)=0,01 моль – HCl шартты бөлшектерінің 6,02·1023·0,01 молі; n(1/5KMnO4)= =0,05 моль – 1/5KMnO4 шартты бөлшектерінің 6,02·1023·0,05 молі; n(e)=1 моль – 6,02·1023 электрон. Химиялық анализ практикасында мұндай мәлімет сирек қажет болады.
Молярлы масса (М) – бұл 1 моль заттың массасы. Егер массасы m зат берілген болса, онда М=m/n. Молярлы массаның өлшем бірлігі г·моль-1. Саны жағынан молярлы масса салыстырмалы молекулалық массаға тең, яғни бөлшектегі барлық атомдардың қосынды массасының көміртегі атомының 1/12 массасына қатынасына тең. Салыстырмалы молекулалық масса – мөлшерсіз шама, оны элементтердің атомдық массаларының кестесі бойынша оңай есептеуге болады.
Молярлы көлем (V0) – бұл қалыпты жағдайдағы 1 моль заттың көлемі. Әдетте бұл шаманы газдар үшін қолданады, бұл жағдайда V0=22,4 л·моль-1.
Молярлы заряд (Q) – бұл 1 моль заттың жалпы заряды. Бір зарядты бөлшектер үшін Q=96485 Кл·моль-1 (число Фарадея, F), z – зарядты бөлшектер үшін Q=zF.
Концентрацияны белгілеу жолдары.Аналитикалық химияда көбінесе заттың белгілі бір көлемдегі мөлшерімен, яғни концентрациясымен жұмыс істеу керек болады. Әсіресе бұл ерітіндідегі заттар үшін маңызды. Көлемнің өлшем бірлігі 1 литрге (л) тең болатын кубты метр (м3) немесе кубты дециметр (дм3).
Молярлы концентрация с – еріген заттың моль санының ерітінді көлеміне қатынасы. Бұл термин шартты бірліктердің кез-келген түріне (атомдар, иондар, молекулалар, молекулалардың бөлігі және т.б.) қатысты. Молярлы концентрация (моль·дм-3 немесе моль·л-1) – бұл 1 литр ерітіндідегі еріген заттың моль санын (молін) өрнектейді және көбінесе М деп белгіленеді. Мысалы, с(HCl)=0,1 моль·л-1 немесе с(HCl)=0,1 М; с(1/5KMnO4)=0,05 моль·л-1 немесе 0,05М (1/5KMnO4) .
Сонымен, молярлы концентрация – М: 1 дм3 (л) ерітіндідегі еріген заттың моль саны – nA немесе 1 см3(л) ерітіндідегі заттың ммоль саны: ;
. Бұндағы М(х) – молярлық масса, яғни 1 мольдің массасы.
; А заты үшін
. Мысалы: 0,2М H2SO4:
Бір мольдің массасы: M(H2SO4)=98,08 г/моль. ;
0,2 моль/л . 98,08г/моль=19,6 г/л
Шартты бірліктердің молярлы концентрациясын бұрын нормальды концентрация деп атайтын және N деп белгілейтін.Қазіргі кезде бұл терминді көп қолданбайды. Нормальды концентрация – N: 1дм3 (л) ерітіндіде еріген заттың моль-эквивалент саны (nэ) немесе 1см3 (мл) ерітіндіде еріген заттың ммоль-эквивалент саны.
Эквивалент. Қосылыстағы шартты бірліктер арасында стехиометриялық деп аталатын белгілі қатынастар болады. Мысалы, NaCl молекуласында натрийдің бір атомына хлордың бір атомы келеді, Na2CO3 молекуласында екі протон бір CO32- бөлшегімен байланысқан. Реакцияланушы бөлшектер арасында да стехиометриялық қатынас орнайды, мысалы:
aA+bB cC+dD
реакциясында А затының a шартты бөлшегі В затының b шартты бөлшегімен реакцияға түседі. Осыған сәйкес, шарты орындалған кезде А затының бір бөлшегі В затының b/а бөлшектеріне эквивалентті. b/а қатынасын В затының эквивалент факторы деп атайды және fэкв(В) деп белгілейді. Мысалы:
2Na2S2O3+I2 Na2S4O6+2NaI
реакциясында fэкв(I2)=1/2, ал эквивалент 1/2 I2 бөлшегі болып табылады.
Қышқылды – негіздік реакцияларда эквивалент – осы реакцияда сутегінің бір ионымен байланысатын, оны ауыстыратын немесе бөліп шығаратын шартты бөлшек. Тотығу – тотықсыздану реакцияларында эквивалент – осы реакцияда бір электронды қосып алатын немесе беріп жіберетін шартты бөлшек.
Реакцияға байланысты бір заттың эквиваленті әртүрлі болуы мүмкін. Мысалы:
HCl+Na2CO3 NaHCO3+NaCl
реакциясында натрий карбонатының эквиваленті – Na2CO3 шартты бөлшегі (fэкв=1). Ал
HCl+Na2CO3 2NaCl+H2CO3
реакциясында fэкв(Na2CO3)=1/2, ал эквивалент 1/2 Na2CO3 шартты бөлшегі болып табылады.
Заттар бір бірімен өздерінің эквиваленттеріне байланысты реакцияласады – бұны Дальтонның еселік қатынас заңы дейді. Бұл заң аналитикалық химияда барлық сандық есептеулерде қолданылады, әсіресе титриметриялық анализ әдістерінің негізін құрайды. Практика жүзінде жеке эквиваленттермен немесе химиялық актпен ғана емес, бөлшектердің үлкен бірлігімен жұмыс істейді. Бұл жағдайда заттар арасындағы стехиометриялық қатынастар заттар мөлшерінің мольдік қатынасы түрінде болады:
n(A):n(B)=a:b.
Эквиваленттік фактор – берілген реакцияда реальды заттың қандай үлесі 1 сутегі атомына (не 1 -ға) эквивалентті екенін көрсететін сан. Эквиваленттік фактор мына теңдеу бойынша анықталады:
.
Мысалы, мына реакция бойынша NaOH-тың эквиваленттік факторы бірге тең.
Басқа да мысалдар келтірсек:
H2SO4+2NaOH=Na2SO4+2H2O немесе
H2SO4+NaOH=
Na2SO4+H2O
H2SO4- тің моль×экв – ге тең болады, яғни
;
1моль×эквиваленттің массасы мына теңдеумен анықталады: Mэ(А) = fэкв(А)×М(А).
fэкв мәні жүретін әрбір химиялық реакцияның теңдеуіне байланысты анықталады:
H3PO4+NaOH=NaН2PO4+H2O;
H3PO4+2NaOH=Na2HPO4+2H2O; ;
H3PO4+3NaOH=Na3PO4+3H2O; ;
Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2CO3;
Концентрацияны өрнектеудің басқа да әдістерін қарастырсақ.
Массалық концентрация – еріген зат массасының mS ерітінді көлеміне V қатынасы, массалық концентрацияның өлшем бірлігі кг·дм-3 немесе кг·л-1, сонымен бірге еселік бөлшектік бірліктер. Бір миллилитрдегі заттың грамымен өрнектелген массалық концентрацияны титр деп атайды. Классикалық анализ әдісінің бірі титриметрияның аталуы осы терминмен байланысты.
Титр – T әрпімен белгіленеді, оның өлшем бірлігі: мг/мл немесе г/мл. Ерітінді титрі мына теңдеумен анықталады: ; Бұндағы, m – еріген заттың массасы, v – ерітіндінің көлемі.
Молярлы концентрация: бұндағы М(А) – молярлы масса, яғни 1 мольдің массасы. Осыдан
Сонда: ;
Яғни титрді молярлы концентрация арқылы да табуға болады. Осы сияқты, титрді нормальды концентрация арқылы да табу жолы бар. екенін білеміз.
Олай болса:
немесе
;
Титрі белгілі болған жағдайда M не N – концентрацияларды да осы теңдеуден табуға болады.
;
Кей жағдайда жұмысшы ерітіндінің анықтайтын зат арқылы титрі – Tж/А беріледі, бұл анықтайтын заттың 1 мл жұмысшы ерітіндімен (титрантпен) әрекеттесетін грамм мөлшері.
Мыс: ;
;
;
немесе . Олай болса:
;
Яғни жалпы түрде:
;
Көлемдік концентрация – еріген заттың көлемінің ерітінді көлеміне қатынасы.
Көп жағдайда ерітіндінің немесе басқа нысанның құрамын заттың жалпы мөлшеріндегі компоненттің үлесі түрінде өрнектейді. Өрнектеудің мұндай жолының қолайлы болуы нысанның агрегатты күйіне тәуелді еместігінде. «Үлес» компонент бөлшектері санының нысан бөлшектерінің жалпы санына қатынасын білдіреді. Таңдап алынған бірлікке байланысты молярлы (α), массалық (ω), көлемдік (φ) үлес деп бөлінеді:
.
Үлесті пайызбен көрсетеді. Пайызбен көрсетілген массалық үлесті проценттік (пайыздық) концентрация деп атайды. Проценттік концентрация С%; ω% – деп белгіленеді. Заттың өте аз мөлшерін бағалау үшін миллиондық үлесті – ppm, миллиардтық үлесті – ppb, триллиондық үлесті – ppt қолданған қолайлы.
Бір мысал келтірсек. 1 литр итмұрын тұнбасындағы аскорбин қышқылының құрамы 5,5 мг. Аскорбин қышқылының құрамын массалық үлеспен көрсету керек.
Ерітіндідегі аскорбин қышқылының массалық үлесін (1 литрдің массасы 103 грамм екенін ескере отырып) табамыз:
.
Бұл сан есептеуге қолайсыз. Оны ppm немесе млн-1 бірлігіне ауыстырамыз:
5,5 10-6
106 = 5,5 млн-1.
Моляльдық – ерітіндінің масса бірлігіндегі (1кг) зат мөлшері. Моляльдықтың ерекшілігі температураға тәуелсіздігінде. Бірақ аналитикалық химияда бұл бірлікті сирек қолданады.