Способи вираження кількісного складу розчину

Найважливішою кількісною характеристикою будь-якого розчину є концентра­ція, яка показує масу або кількість розчиненої речовини, що міститься в одиниці маси або об'єму розчину чи розчинника. Існують різноманітні способи вираження складу розчинів.

Масова частка розчиненої речовини — це відношення маси розчиненої речовини до маси всього розчину. Наприклад, розчин з масовою часткою кальцій хлориду 5 %

містить 5 г кальцій хлориду в 100 г розчину. Оскільки маса розчину дорівнює сум мас розчинника та розчиненої речовини, то в наведеному прикладі кожні 100 г розчину _М1стять 5 г кальцій хлориду та 95 г води. Масову частку розчиненої речовини по­значають літерою ω і виражають у частках одиниці або у відсотках. У медичній прак­тиці останню застосовують найчастіше.

Зв'язок між масовою часткою ω, масою розчиненої речовини та масою розчину виражають формулою

Вираз складу розчину за допомогою масової частки широко застосовують у фар­мацевтичній практиці.

Молярна концентрація розчину С_Х— це відношення кількості молів розчиненої речовини до об'єму розчину (найчастіше об'єм виражають у літрах, тому одиниця виміру молярної концентрації — моль/л):

де т і М— маса і молярна маса розчиненої речовини; V— об'єм розчину, л; v — кількість розчиненої речовини, моль.

Молярну концентрацію позначають ще так:

1 М— одномолярний розчин (С_Х = 1 моль/л);

0,1 М—децимолярний розчин (С_Х = 0,1 моль/л);

0,01 М— сантимолярний розчин (С_Х = 0,01 моль/л);

0,001 М— мілімолярний розчин (С_Х = 0,001 моль/л).

Молярну концентрацію розчину використовують при вивченні швидкості та ме­ханізму перебігу хімічних реакцій, при визначенні теплових ефектів реакцій, обчис­ленні констант дисоціації та гідролізу. Вони зручні тим, що значною мірою спрощу­ють обчислення.

Молярна концентрація еквівалента ( ) — це відношення кількості моль-

еквівалентів розчиненої речовини до об'єму розчину. Молярну концентрацію еквіва­лента виражають у молях на літр (моль/л):

Еквівалентом елемента або простої чи складної речовини (Е) називають таку їх кількість, яка приєднує або замішує у хімічних реакціях один моль атомів Гідрогену (одиниця виміру — моль).

Масу одного еквівалента елемента або речовини називають молярною масою еквівалента, або еквівалентною масою, і позначають М_екв, а одиницею виміру є г/моль або кг/моль.

«Еквівалентний» у перекладі означає «рівноцінний», тобто це така кількість еле­мента чи речовини, яка рівноцінна в хімічних реакціях одному молю атомів Гідроге­ну.

Згідно з визначенням, еквівалент елемента у сполуці дорівнює такій його кількості, яка взаємодіє з одним молем атомів Гідрогену. У сполуках НС1, Н₂О, NH₃, СН4 з одним молем атомів Гідрогену сполучається відповідно один моль атомів Хло­ру, моль атомів Оксигену, моль атомів Нітрогену та моль атомів Карбону. Отже, еквівалент Хлору дорівнює 1 моль, Оксигену - , Нітрогену - , а Карбону - моль. Відповідно М_еквCl = 35,5 г/моль; М_еквO =16:2 = 8; M_eквN =14:3= 4,67; М_еквС = 12:4 = 3 г/моль.

У загальному випадку еквівалент і еквівалентну масу елемента у сполуках обчис­люють за формулою

де |с.о.| — абсолютне значення ступеня окиснення елемента у сполуці; м — молярна маса елемента, г/моль. Наприклад, в оксиді N₂⁺⁵О₅^-2 ступінь окиснення Нітрогену дорівнює +5, тому

Еквівалентом складної речовини називають таку її кількість, яка реагує без залиш­ку з одним еквівалентом Гідрогену або взагалі з одним еквівалентом будь-якої речо­вини. Молярну масу еквівалента речовини обчислюють, виходячи з молярної маси речовини.

Еквівалент і молярну масу еквівалента оксиду розраховують за формулами:

де n — число атомів елемента, який утворює оксид.

Наприклад, для оксиду

Молярна маса еквівалента кислоти дорівнює її молярній масі, поділеній на основність, тобто на число атомів Гідрогену в молекулі кислоти:

Наприклад, E_HCl = 1 моль; М_екв = 36,5 г/моль; М_екв= 98:2+49 г/моль;

М_екв = 98:3=32,6 г/моль

Молярна маса еквівалента основи дорівнює її молярній масі, поділеній на кис­лотність. Кислотність основи визначають числом гідроксогруп, здатних заміщувати­ся кислотними залишками.

Наприклад, М_екв = 78 : 3 = 29,3 г/моль.

Для розрахунку еквівалента і еквівалентної маси солі користуються формулами

де п — число атомів елемента, що утворює катіон; |с.о. катюна| — абсолютне значен­ня заряду катіона. Наприклад, ; М_екв= 310 : 6 = 51,7 г/моль.

Під час обчислення еквівалента та еквівалентної маси кислих солей слід врахову­вати, що не заміщені на катіон атоми Гідрогену кислоти становлять аніон. Наприк­лад, еквівалент і еквівалентна маса кальцію гідрогенфосфату СаНРО₄ дорівнює:

М_екв=136:2=68 г/моль

При обчисленні еквівалента та еквівалентної маси основних солей враховують, що гідроксогрупи входять до складу катіона. Наприклад, еквівалент і еквівалентна маса цинк гідроксид сульфату (ZnOH)₂SО₄ дорівнюють

М_екв = 260:2=130 г/моль

У цьому випадку під час обчислення еквівалента та еквівалентної маси цинк гідроксид сульфату у знаменнику записують добуток заряду катіона і число части­нок, що складають катіон.

Еквівалент і еквівалентну масу простої та складної речовин також визначають ха­рактером їх перетворень. В умовах хімічної взаємодії еквівалент речовини визнача­ють кількістю еквівалентів сполуки, що взаємодіє з цією речовиною. Наприклад, у

В іншому випадку

оскільки 1 моль кислоти взаємодіє з 2 моль еквівалентів однокислотного лугу.

Таким чином, для обчислення еквівалентної маси речовини в умовах хімічної ре­акції потрібно її молярну масу поділити на число еквівалентів речовини, з якою вона взаємодіє.

Отже, еквівалент і еквівалентна маса елемента або простої чи складної речовини є величиною змінною і може набувати різних значень залежно від умов хімічної ре­акції, ступеня окиснення елемента або його валентності за Гідрогеном.

У реакціях, що відбуваються зі зміною ступеня окиснення елементів, обчислюють еквівалент і еквівалентну масу окисника та відновника. Еквівалент окисника (віднов­ника) — це така його кількість, яка приєднує (віддає) 1 моль електронів. Еквівалентною масою окисника (відновника) називають масу одного еквівалента окисника (від­новника). Еквівалент окисника або відновника відповідно дорівнює

де пе^- — число електронів, приєднаних або відданих однією молекулою окисника або відновника. Наприклад, у реакції

Zn є відновником, який унаслідок взаємодії з кислотою віддає два електрони і окиснюється до катіона Zn²⁺. Розбавлена нітратна кислота є окисником, який віднов­люється до амоніаку, що утворює в нітратнокислому середовищі нітрат амонію. То­му еквівалент і еквівалентна маса цинку та нітратної кислоти дорівнюють

Молярну концентрацію розчину і молярну концентрацію еквівалента використо­вують при вивченні швидкості та механізму перебігу хімічних реакцій, визначенні теплових ефектів реакцій, обчисленні констант дисоціації та гідролізу. Вони зручні тим, що значною мірою спрощують обчислення.

Моляльна концентрація С_т — це кількість розчиненої речовини (в молях), що припадає на 1 кг розчинника в цьому розчині. Одиниця виміру — моль/кг:

або, якщо маса розчинника виражена в грамах, формула для розрахунку має вигляд:

де ν_p.p — кількість розчиненої речовини, моль; т_р-ка— маса розчинника, г (кг); М_р.р— молярна маса розчиненої речовини, г/моль; т_р.р— маса розчиненої речовини, г.

Так, 1т розчину NaOH означає, що в 1 кілограмі води цього розчину знаходиться 1 моль натрій гідроксиду, тобто 40 г.

Мольна частка χ_(Х) — це відношення кількості розчиненої речовини або розчин­ника до суми кількостей розчинника та розчиненої речовини:

де А— розчинник; В—розчинена речовина; ν— кількість молів речовини; χ_А+χ_В =1.

Крім масової частки розчиненої речовини, молярної концентрації, молярної кон­центрації еквівалента, моляльної концентрації та мольної частки є й інші способи ви­раження кількісного складу розчинів, але в медичній практиці та фармації най­частіше використовують наведені тут способи. Слід також зазначити, що у фізичній хімії найпоширеніші способи вираження складу розчину — це мольна частка і мо-ляльна концентрація, що не залежать від температури.

У лабораторній практиці нерідко доводиться виконувати перерахунок концен­трації розчинів з одних одиниць в інші. Це можна швидко зробити, використовуючи наведені нижче формули.

При переході від масової частки компонента розчину оо до молярної концентрації і навпаки слід пам'ятати, що масову частку компонента розчину відносять до певної маси розчину, а молярну концентрацію — до певного об'єму розчину. Звичайно, для цього не достатньо лише концентрації, потрібні додаткові дані про розчин або компо­ненти, з яких він складається. Густина розчину — одна з додаткових величин, яку знаходять у довідкових таблицях або визначають експериментально за допомогою ареометра.

Рівняння для перерахунку масової частки компонента в молярну концентрацію має такий вигляд:

де ω— масова частка розчиненої речовини, %; ρ — густина розчину, г/мл; Сх— мо­лярна концентрація, моль/л; М— молярна маса речовини, г/моль.

Для перерахунку масової частки розчиненої речовини в моляльну концентрацію використовують формулу

де ω— масова частка розчиненої речовини, %; С_т — моляльна концентрація, моль/г; М— молярна маса речовини, г/моль.