Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Основные термины и определения. Основные термины и определенияСтр 1 из 2Следующая ⇒ Тема 2. КОЛИЧЕСТВО И КОНЦЕНТРАЦИЯ ВЕЩЕСТВА: ВЫРАЖЕНИЕ И ПЕРЕСЧЕТЫ ИЗ ОДНОЙ ФОРМЫ В ДРУГУЮ
Основы теории Основные термины и определения Масса и количества вещества. Массу вещества (m) измеряют в граммах, а количество вещества (n) в молях. Если обозначить вещество буквой Х, то тогда его масса может быть обозначена как m ( X ), а количество – n ( X ). Моль – количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц (молекул, атомов, ионов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода-12. При использовании термина моль следует указывать частицы, к которым относится этот термин. Соответственно, можно говорить «моль молекул», «моль атомов», «моль ионов» и т.д. (например, моль молекул водорода, моль атомов водорода, моль ионов водорода). Так как 0,012 кг углерода-12 содержит ~ 6,022х1023 атомов углерода (постоянная Авогадро), то моль – такое количество вещества, которое содержит 6,022х1023 структурных элементов (молекул, атомов, ионов и др.). Отношение массы вещества к количеству вещества называют молярной массой. M ( X ) = m ( X ) / n( X ) То есть, молярная масса (М) – это масса одного моля вещества. Основной системной [*] единицей молярной массы является кг/моль, а на практике – г/моль. Например, молярная масса самого легкого металла лития М (Li) = 6,939 г/моль, молярная масса газа метана М (СН4) = 16,043 г/моль. Молярная масса серной кислоты рассчитывается следующим образом M ( Н2SО4 ) = 196 г / 2 моль = 96 г/моль. Любое соединение (вещество), кроме молярной массы, характеризуется относительной молекулярной или атомной массой. Существует и эквивалентная масса Е, равная молекулярной, умноженной на фактор эквивалентности (см. далее). Относительная молекулярная масса (Mr) – это молярная масса соединения, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12. Например, Мr (СН4) = 16,043. Относительная молекулярная масса – величина безразмерная. Относительная атомная масса (Ar) – это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12. Например, Ar (Li) = 6,039. Концентрация. Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы называют концентрацией. Известно несколько способов выражения концентрации. В России чаще всего концентрацию обозначают заглавной буквой С, имея в виду прежде всего массовую концентрацию, которая по праву считается наиболее часто применяемой в экологическом мониторинге форма выражения концентрации (именно в ней измеряют величины ПДК). Массовая концентрация (С или β) – отношение массы компонента, содержащегося в системе (растворе), к объему этой системы (V). Это самая распространенная у российских аналитиков форма выражения концентрации. β (Х) = m ( X ) / V (смеси) Единица измерения массовой концентрации – кг/м3 или г/м3, кг/дм3 или г/дм3 (г/л), кг/см3, или г/см3 (г/мл), мкг/л или мкг/мл и т.д. Арифметические пересчеты из одних размерностей в другие не представляет большой сложности, но требуют внимательности. Например, массовая концентрация хлористоводородной (соляной) кислоты С (HCl) = 40 г / 1 л = 40 г/л = 0,04 г/мл = 4·10– 5 мкг/л и т.д. Обозначение массовой концентрации С нельзя путать с обозначением мольной концентрации (с), которая рассматривается далее. Типичными являются соотношения β (Х): 1000 мкг/л = 1 мкг/мл = 0,001 мг/мл. В объемном анализе (титриметрии) употребляется одна из форм массовой концентрации – титр. Титр раствора (Т) – это масса вещества, содержащегося в одном кубическом сантиметре или в одном миллилитре раствора. Единицы измерения титра — кг/см3, г/см3, г/мл и др. Моляльность (b) -- отношение количества растворенного вещества ( в молях) к массе растворителя ( в кг). b( Х ) = n( X ) / m ( растворителя ) = n( X ) / m (R) Единица измерения моляльности -- моль/кг. Например, b (HCl/H2O) = 2 моль/кг. Моляльная концентрация применяется в основном для концентрированных растворов. Мольная (!) доля (х) – отношение количества вещества данного компонента (в молях), содержащегося в системе, к общему количеству вещества (в молях). х ( Х) = n( X ) / n( X ) + n( Y ) Мольная доля может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле (тысячная часть %) и в миллионных (млн –1, ppm), миллиардных (млрд –1, ppb), триллионных (трлн –1, ppt) и др. долях, но единицей измерения все равно является отношение – моль / моль. Например, х ( С2Н6) = 2 моль / 2 моль + 3 моль = 0,4 (40 %). Массовая доля (ω) – отношение массы данного компонента, содержащегося в системе, к общей массе этой системы. ω ( Х ) = m( X ) / m(смеси) Массовая доля измеряется в отношениях кг / кг (г / г). При этом она может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле, миллионных, миллиардных и т.д. долях. Массовая доля данного компонента, выраженная в процентах, показывает, сколько граммов данного компонента содержится в 100 г раствора. Например, условно ω ( KCl ) = 12 г / 12 г + 28 г = 0,3 (30%). 0бъемная доля (φ) – отношение объема компонента, содержащегося в системе, к общему объему системы. φ ( Х ) = v( X ) / v( X ) + v( Y ) Объемная доля измеряется в отношениях л/л или мл/мл и тоже может быть выражена в долях единицы, процентах, промилле, миллионных и т.д. долях. Например, объемная доля кислорода газовой смеси составляет φ ( О2 ) =0,15 л / 0,15 л + 0,56 л. Молярная (мольная) концентрация (с) – отношение количества вещества (в молях), содержащегося в системе (например, в растворе), к объему V этой системы. с( Х ) = n( X ) / V (смеси) Единица измерения молярной концентрации моль/м3 (дольная производная, СИ – моль/л). Например, c (H2S04) = 1 моль/л, с (КОН) = 0,5 моль/л. Раствор, имеющий концентрацию 1 моль/л, называют молярным раствором и обозначают как 1 М раствор (не надо путать эту букву М, стоящую после цифры, с ранее указанным обозначением молярной массы, т.е. количества вещества М). Соответственно раствор, имеющий концентрацию 0,5 моль/л, обозначают 0,5 М (полумолярный р-р); 0,1 моль/л – 0,1 М (децимолярный р.р); 0,01 моль/л – 0,01 М (сантимолярный р-р) и т.д. Эта форма выражения концентрации также очень часто применяется в аналитике. Нормальная (эквивалентная) концентрация (N), молярная концентрация эквивалента (Сэкв.) – это отношение количества вещества эквивалента в растворе (моль) к объему этого раствора (л). N = Сэкв ( Х ) = n (1/Z X) / V (смеси) Количество вещества (в молях), в котором реагирующими частицами являются эквиваленты, называется количеством вещества эквивалента nэ (1/Z X) = nэ (Х). Единица измерения нормальной концентрации («нормальности») тоже моль/л (дольная производная, СИ). Например, Сэкв.(1/3 А1С13) = 1 моль/л. Раствор, в одном литре которого содержится 1 моль вещества эквивалентов, называют нормальным и обозначают 1 н. Соответственно могут быть 0,5 н («пятидецинормальный»); 0,01 н (сантинормальный») и т.п. растворы. Следует отметить, что понятие эквивалентности реагирующих веществ в химических реакциях является одним из базовых для аналитической химии. Именно на эквивалентности как правило основаны вычисления результатов химического анализа (особенно в титриметрии). Рассмотрим несколько связанных с этим базовых с т.з. теории аналитики понятий. Фактор эквивалентности – число, обозначающее, какая доля реальной частицы веществ Х (например, молекулы вещества X) эквивалентна одному иону водорода (в данной кислотно-основной реакции) или одному электрону (в данной окислительно-восстановнтельной реакции) Фактор эквивалентности f экв (Х) рассчитывают на основании стехиометрии (соотношении участвующих частиц) в конкретном химическом процессе: f экв (Х) = 1/ Zx где Zx. — число замещенных или присоединенных ионов водорода (для кислотно-основных реакций) или число отданных или принятых электронов (для окислительно-восстановительных реакций); Х — химическая формула вещества. Фактор эквивалентности всегда равен или меньше единицы. Будучи умноженным на относительную молекулярную массу, он дает значение эквивалентной массы (Е). Для реакции H2SО4 + 2 NaOH = Na2SО4 + 2 H2 f экв (H2SО4) = 1/2, f экв (NaOH) = 1 f экв (H2SО4) = 1/2, т.е. это означает, что ½ молекулы серной кислоты дает для данной реакции 1 ион водорода (Н+), а соответственно f экв (NaOH) = 1 означает, что одна молекула NaOH соединяется в данной реакции с одним ионом водорода. Для реакции 10 FeSО4 + 2 KMnО4 + 8 H2SО4 = 5 Fe2(SО4)3 + 2 MnSО4 + K2SО4 + 8 H2О 2 МпО4- + 8Н+ +5е- → Мп2+ – 2e- + 4 Н2О 5 Fe2+ – 2e- → Fe3+ f экв (KMnО4) = 1/5 (кислая среда), т.е. 1/5 молекулы KMnО4 в данной реакции эквивалентна 1 электрону. При этом f экв (Fe2+) = 1, т.е. один ион железа (II) также эквивалентен 1 электрону. Эквивалент вещества Х – реальная или условная частица, которая в данной кислотно-основной реакции эквивалентна одному нону водорода или в данной окислительно-восстановительной реакции – одному электрону. Форма записи эквивалента: fэкв (Х) Х (см. табл.), или упрощенно Эх, где Х –химическая формула вещества, т.е. [Эх = fэкв (Х) Х]. Эквивалент безразмерен. Эквивалент кислоты (или основания) – такая условная частица данного вещества, которая в данной реакции титрования высвобождает один ион водорода или соединяется с ним, или каким-либо другим образом эквивалентна ему. Например, для первой из вышеуказанных реакций эквивалент серной кислоты — это условная частица вида ½ H2SО4 т.е. f экв (H2SО4) = 1/Z= ½; ЭH2SО4 = ½ H2SО4. Эквивалент окисляющегося (или восстанавливающегося) вещества — это такая условная частица данного вещества, которая в данной химической реакции может присоединять один электрон или высвобождать его, или быть каким-либо другим образом эквивалентна этому одному электрону. Например, при окислении перманганатом в кислой среде эквивалент марганцевокислого калия – это условная частица вида 1/5 КМпО4, т.е. ЭКМпО4 =1/5КМпО4. Так как эквивалент вещества может меняться в зависимости от реакции, в которой это вещество участвует, необходимо указывать соответствующую реакцию. Например, для реакции Н3РО4+ NaOH = NaH2PО4 + H2O эквивалент фосфорной кислоты Э Н3РО4 == 1 Н3РО4. Для реакции Н3РО4+ 2 NaOH = Na2 HPО4 + 2 H2O ее эквивалент Э Н3РО4 == ½ Н3РО4,. Принимая во внимание, что понятие моля позволяет пользоваться любыми видами условных частиц, можно дать понятие молярной массы эквивалента вещества X. Напомним, что моль – это количество вещества, содержащее столько реальных или условных частиц, сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода 12 С (6,02 10 23). Под реальными частицами следует понимать атомы, ионы, молекулы, электроны и т.п., а под условными – такие как, например, 1/5 молекулы КМпО4 в случае О/В реакции в кислой среде или ½ молекулы H2SО4 в реакции с гидроксидом натрия. Молярная масса эквивалента вещества – масса одного моля эквивалентов этого вещества, равная произведению фактора эквивалентности f экв (Х) на молярную массу вещества М (Х)[†]. Молярную массу эквивалента обозначают как М [ f экв (Х) Х] или с учетом равенства Эх = f экв (Х) Х ее обозначают М [Эх]: М (Эх)= f экв (Х) М (Х); М [Эх] = М (Х) /Z Например, молярная масса эквивалента КМпО4 М (ЭКМпО4) =1/5КМпО4 = М 1/5 КМпО4 = 31,6 г/моль. Это означает, что масса одного моля условных частиц вида 1/5КМпО4 составляет 31,6 г/моль. По аналогии молярная масса эквивалента серной кислоты М ½ H2SО4 = 49 г/моль; фосфорной кислоты М ½ H3 РО4 = 49 г/моль и т.д. В соответствии с требованиями Международной системы (СИ) именно молярная концентрация является основным способом выражения концентрации растворов, но как уже отмечалось, на практике чаще применяется массовая концентрация. Рассмотрим основные формулы и соотношения между способами выражения концентрации растворов (см. табл. 1 и 2). Таблица 1
|