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
Способы выражения концентраций
|
|
Количество вещества, растворенного в заданном количестве растворителя или раствора, выражают через концентрацию. Концентрацию раствора можно охарактеризовать качественно или количественно. Для качественного описания концентрации используются такие понятия, как разбавленный и концентрированный раствор. О растворах, с относительно низкой концентрацией растворенного вещества, принято говорить, как о разбавленных, а о растворах, с относительно высокой концентрацией, - как о концентрированных.
Компонент раствора, физическое состояние которого сохраняется при образовании раствора, принято считать растворителем. Например, при смешении хлорида натрия (твердое вещество) с водой получается жидкий раствор. Поэтому воду считают растворителем, а NaCl - растворенным веществом. Если все компоненты раствора находятся в одинаковом физическом состоянии, то компонент, присутствующий в большем количестве, считается растворителем.
2.1 Молярную концентрацию раствора определяют как число молей вещества, растворенного в литре раствора:
См = 
Например, в каждом литре 1,50 молярного раствора (пишется 1,50 М) содержится 1,50 моля растворенного вещества. Чтобы приготовить один литр
0,150 М раствора сахарозы C12H22O11 в воде, нужно взять 0,150 моля С12H22O11. Это количество твердой сахарозы (51,3 г) сначала растворяют в менее чем одном литре воды, а затем полученный раствор разбавляют до окончательного объема 1 л. С этой целью обычно пользуются мерной колбой, имеющей метку, в которую можно налить точно известный объем жидкости.
С помощью молярной концентрации объем можно перевести в моли или моли в объем:
а) вычислить число молей HNO3 в 2 л 0,200 М раствора HNO3.
n (HNO3)=2,0 л раствора´0,200 
=0,40 моля HNO3
б) вычислить объем 0,30 М раствора HNO3, в котором содержится 2,0 моля HNO3:
V (раствора)=2,0 моля´ 
=6,7 л раствора
Пример
Сколько граммов Na2SO4 требуется для приготовления 350 мл раствора Na2SO4 c концентрацией 0,50 М?
Решение. См (Na2SO4)= 
.
Следовательно, n (Na2SO4)=0,350 л раствора´0,50 
=0,175 моля Na2SO4.
Поскольку один моль Na2SO4 имеет массу 142 г, т.е. М (Na2SO4)=142 г/моль, то m (Na2SO4) =n´M =0,175´142=24,8 г
2.2 Процентная концентрация
Ср = 
´100, %
Пример
Приготовлен раствор, содержащий 6,9 г NaHCO3 в 100 г воды. Какова процентная концентрация растворенного вещества в этом растворе?
Решение.
Ср = 
´100= 
´100=6,5%
Масса раствора - это сумма масс растворителя и растворенного вещества.
3.2 Мольная доля компонента раствора (Х) определяется уравнением:
Х = 
Сумма мольных долей всех компонентов раствора должна быть равна 1.
Пример
Вычислите мольную долю HCl в растворе соляной кислоты, содержащем 36 % HCl по массе.
Решение. Допустим, что имеется 100 г раствора (если исходить из какого-то другого количества раствора, то конечный результат будет тем же; это легко проверить, но расчет усложнится). Тогда в растворе должно содержаться 36 г HCl и 64 г H2O.
n (HCl)= 
= 
=0,99 моля
n (H2O)= 
=3,6 моля
Х(HCl)= 
= 
=0,22.
4.2. Моляльная концентрация или моляльность раствора определяется как число молей растворенного вещества в кг растворителя, а размерность этой концентрации обозначается Мл.
Cg = 
Следует обратить внимание на различия между молярностью и моляльностью: при определении моляльности используется масса растворителя, при определении молярности – объем раствора. В растворе, моляльность которого равна 1,50, т.е. в 1,50 Мл растворе содержится 1,50 моля растворенного вещества на каждый кг растворителя. Если растворителем служит вода, моляльность и молярность разбавленного раствора численно почти совпадают, потому что 1 кг растворителя представляет собой почти то же самое, что и 1 кг раствора, а объем 1 кг водного раствора приблизительно равен 1 л.
Пример 1
Раствор какой моляльности получается при растворении 5,0 г толуола (C7H8)в 225 г бензола (С6Н6).
Решение. 
;
.
Пример 2
Исходя из того, что плотность раствора, содержащего 5,0 г толуола и 225 г бензола, равна 0,876 г/мл, вычислите концентрацию этого раствора, выразив ее как: а) молярную концентрацию; б) мольную долю растворенного вещества; в) процентную концентрацию растворенного вещества.
Решение. а) суммарная масса раствора равна массе растворителя плюс масса растворенного вещества:
mраствора= 5,0+225=230 г.
Зная массу раствора и его плотность, можно вычислить объем раствора:
Vраствора = 
= 
=263 мл = 0,263 л.
Сведения о плотности раствора нужны для того, чтобы связать между собой его молярность и моляльность, поскольку первая выражается через объем, а вторая - через массу. Кроме того, чтобы вычислить молярность и моляльность раствора, необходимо знать число молей растворенного в нем вещества:
n (C7H8)= 
= 
=0,054 моля.
Молярность раствора равна числу молей вещества, растворенного в 1 л раствора:
См = 
= 
=0,21 М.
б) для вычисления мольной доли растворенного вещества, рассчитаем количество молей каждого из компонентов раствора:
n (C6H6)= 
= 
=2,88 моля, n(C7H8) =0,054 моля.
Мольную долю растворенного вещества вычислим по следующей формуле:
X (C7H8)= 
в) поскольку процентная концентрация растворенного вещества равна отношению массы растворенного вещества к суммарной массе раствора, то:
Cp = 
5.2 Нормальная концентрация или нормальность раствора (обозначается буквой н.) определяется числом эквивалентов вещества, растворенного в 1 л раствора.
Сн= 
Нормальная концентрация раствора всегда представляет собой целое число, кратное молярной концентрации раствора. В окислительно-восстановительных реакциях целочисленный коэффициент пропорциональности между молярностью и нормальностью раствора равен числу электронов, присоединяемых или теряемых одной формульной единицей вещества. В кислотно-основных реакциях этот целочисленный множитель равен числу ионов Н+ или ОН-, которые создаются одной формульной единицей вещества.
Пример
Каковы молярная и нормальная концентрации раствора H2SO4, приготовленного растворением 5.00 г H2SO4 в таком количестве воды, чтобы получилось 200 мл раствора?
Решение. 1) М (H2SO4)=98 г/моль; 2) 
;
3) 
.
Так как одна молекула H2SO4 дает два иона водорода, в одном моле этой кислоты содержится 2 химических эквивалента, и поэтому нормальность раствора вдвое превышает его молярность, т.е. равна 0,510н.
1) Э(H2SO4)= 
; 2) 
; 3) Cн= 
6.2 Титр определяется количеством грамм вещества, растворенным в 1 мл раствора.
Т= 
, г/мл
7.2 Равновесная концентрация
Если реагенты и продукты реакции находятся во взаимном контакте, химическая реакция может достичь состояния динамического равновесия, в котором прямая и обратная реакции протекают с одинаковыми скоростями. Это состояние называется химическим равновесием. Свойства равновесной системы не меняются с течением времени. Для такой системы отношение произведения концентраций всех продуктов к произведению концентраций всех реагентов, каждая из которых возведена в степень, равную стехиометрическому коэффициенту данного участника реакции в ее полном химическом уравнении, называется константой равновесия К.
jA+kB 
pC+qD
K= 
(7.2.1)
Константа равновесия зависит от температуры, но на нее не влияют не изменения относительных концентраций реагирующих веществ, ни давление в реакционной системе, ни наличие в ней катализатора.
При использовании молярных концентраций константу равновесия обозначают символом Кс, а при измерении концентраций парциальными давлениями (в атмосферах) константу равновесия обозначают символом Кр.
jA+kB dAB
Kp= 
(7.2.2)
Константы Кс и Кр связаны между собой соотношением:
Kp=Kc´(R´T) 
, (7.2.3)
где - изменение числа молей газа в реакции.
Большое значение константы равновесия указывает на то, что в равновесной смеси должно содержаться больше продуктов, чем реагентов. Малая величина константы равновесия означает, что равновесие сдвинуто в сторону реагентов.
Пример
В одном из экспериментов немецкий химик Фриц Габер и его сотрудники в начале XX века вводили в реакционный сосуд смесь водорода и азота, а затем ждали, пока в системе не установится равновесие при 472°С. После анализа в равновесной смеси газов было обнаружено 0,1207 М Н2, 0,0402 М N2 и 0,00272М NH3. Вычислите по этим данным константы равновесия Кс и Кр реакции:
N2(г.)+3Н2(г.) 2NH3(г.)
Решение. а) Кс= 
б) в этой реакции из 4 молей газообразных реагентов (1N2+3H2) образуется 2 моля газообразных продуктов (2NH3). Следовательно, 
n =2-4= -2 (любую величину, обозначаемую символом , всегда получают вычитанием из результата, в рассматриваемом случае данных для продуктов, исходного значения, т.е. данных для реагентов).
Абсолютная температура эксперимента Т =273+472=745 К
Воспользуемся значением универсальной газовой постоянной
R =0,0821 
.
Кр= 
При вычислении констант равновесия соответствующие концентрации можно подставлять вместе с единицами измерения, и тогда константа равновесия К приобретет определенную размерность. Например, для реакции N2O(г.) 2NO2(г.) имеем К = 
Если в данном случае концентрацию веществ выразить в молях, константа равновесия примет размерность 
, а если концентрацию выразить в атмосферах, константа равновесия имеет размерность 
Выражая константы равновесия в единицах определенной размерности, мы тем самым указываем и единицы, в которых выражены концентрации, а это имеет свои удобства. Тем не менее чаще константы равновесия записывают как безразмерные величины.
7.2.1. Гетерогенные равновесия
Во многих важных равновесных системах все вещества находятся в одинаковом фазовом состоянии. Такие равновесные системы называются гомогенными. Но равновесие может устанавливаться и между веществами, которые находятся в разных фазовых состояниях, и в таком случае говорят о гетерогенном равновесии. В качестве примера рассмотрим разложение карбоната кальция:
CaCO3(тв.) 
СаО(тв.)+СО2(г.)
В этой системе газ находится в равновесии с двумя твердыми веществами. Если написать выражение для константы равновесия так, как мы это делали до сих пор, то получим:
K= 
.
Так как карбонат и оксид кальция присутствуют в системе в виде твердых веществ, их концентрации остаются постоянными. Число молей твердого вещества, приходящееся на литр его объема, не зависит от того, много или мало этого вещества имеется в системе. Концентрацию чистого жидкого или твердого вещества можно выразить через отношение плотности к молекулярной массе:
Плотность чистого жидкого или твердого вещества при любой заданной температуре постоянна, а при изменении температуры меняется очень незначительно. Поэтому можно с удовлетворительной точностью считать эффективную концентрацию чистого жидкого или твердого вещества постоянной. С практической точки зрения результат этой продцедуры эквивалентен тому, как если бы мы в выражении для константы равновесия условно приняли концентрации твердых веществ равными единице.
K= [ CO2 ]
Пример
Напишите выражение для константы равновесия каждой из следующих реакций:
a) CO2(г.)+Н2(г.) СО2(г.)+Н2О(ж.)
б) SnO2(тв.)+2СО(г.) Sn(тв.)+2СО2(г.)
Решение. а) поскольку вода участвует в данной реакции в виде чистой жидкости, ее концентрацию не следует включать в выражение для константы равновесия:
K= 
б) поскольку SnO2 и Sn являются чистыми твердыми веществами, они не входят в выражение для константы равновесия:
K= 
7.2.2 Кажущаяся константа равновесия
Допустим, что смесь 2,0 моля Н2, 1,00 моля N2 и 2,00 моля NH3 поместили в сосуд объемом 1 л при температуре 472 К. Будет ли реакция между N2 и Н2 давать дополнительное количество NH3? Подставив начальные концентрации N2, H2 и NH3 в выражение для константы равновесия реакции, найдем:
K = 
В примере раздела 7.2 было установлено, что при заданной температуре Кс =0,105. Следовательно, для того чтобы система приблизилась к равновесию,
отношение 
должно уменьшиться с 0,500 до 0,105. Это произойдет при уменьшении [ NH3 ]и увеличении [ N2 ] и [ H2 ]. Следовательно, по мере образования N2 и Н2 из NH3 реакция будет смещаться в сторону установления равновесия, другими словами, реакция должна протекать справа налево.
Подставляя произвольные концентрации реагентов и продуктов в выражение для константы равновесия, мы получим кажущуюся константу равновесия, которую обозначают буквой Q. Кажущаяся константа равновесия становится равной истинной константе равновесия К только тогда, когда концентрации всех компонентов реакционной системы достигнут своих равновесных значений, т.е. Q=K только при равновесии. Если кажущаяся константа равновесия больше К, то вещества, указанные в правой части химического уравнения реакции, должны реагировать с образованием веществ, указанных в его левой части, другими словами, реакция приближается к равновесному состоянию, смещаясь справа налево. Следовательно, если Q>K, реакция сдвигается справа налево. И наоборот, если Q<K, реакция приближается к равновесному состоянию с образованием дополнительного количества продуктов (смещается слева направо).
7.2.3 Вычисление равновесных концентраций
Если нам известна константа равновесия некоторой реакции, то мы можем вычислить концентрации веществ в реакционной смеси при равновесии. Сложность такого расчета зависит от нескольких факторов: сложности химического уравнения реакции и от того, какие концентрации уже известны. Общий характер подобных расчетов станет понятен после решения следующих примеров.
Пример 1
При каком парциальном давлении NH3 находится в равновесии с N2 и Н2 при 500°С, если равновесное парциальное давление Н2 равно 0,733 атм., а N2 0,527 атм. При 500°С для реакции N2(г.)+3Н2(г.) 2NH3(г.) константа равновесия Кр =1,45 
10-5.
Решение. Кр = 
Поскольку значения Кр, р(N2) и р(Н2) заданы, из выражения для константы равновесия можно найти р(NH3):
p2(NH3)=Kp 
(1,45 
,
откуда р (NH3)= 
Date: 2015-09-22; view: 786; Нарушение авторских прав