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 – n_A 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 (n_э) 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 CO₃^2- 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 f_экв(В) деп белгілейді. Мысалы:

2Na₂S₂O₃+I₂ Na₂S₄O₆+2NaI

реакциясында f_экв(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 (f_экв=1). Ал

HCl+Na₂CO₃ 2NaCl+H₂CO₃

реакциясында f_экв(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: M_э(А) = f_экв(А)×М(А).

f_экв 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 m_S 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 – T_ж/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.