Молярная концентрация растворов. Что такое массовая концентрация раствора?

Аналитическая химия, проведение реакций, постановка биотехнологических опытов, исследование влияния лекарственных препаратов на лабораторных животных и многие другие направления научной деятельности требуют определения, расчета, оценки влияния содержания веществ на какой-либо процесс. Концентрация растворов – величина содержания компонента. Существует много способов выражения показателей количества конкретного соединения в системе, и их использование зависит от задач исследователя.

Способы выражения концентраций

Самыми распространенными способами выражения концентрации вещества в системе являются массовая доля и молярность. Первая означает весовое процентное содержание компонента в 100 мл раствора.

В хроматографических методах исследования используются объемные проценты, то есть вместо граммов содержание вещества указывается в миллилитрах. Молярная концентрация раствора также является распространенным приемом расчета. Ее суть заключается в выражении содержания вещества в молях на 1 л. В аналитической химии часто используется такое понятие, как нормальная концентрация. Она обозначает количество эквивалентов вещества, содержащихся в растворе. Например, если в качестве вещества используется серная кислота (H₂SO₄), то нормальность в данном случае означает двукратное уменьшение молярной концентрации, так как в одной молекуле содержится два атома водорода. В случае соляной кислоты (HCl), оба способа выражения будут равны.

Подробнее о молярной концентрации

Что означает молярная концентрация раствора, было указано выше. Однако у неспециалиста закономерно появляется вопрос: что означает термин «моль».

В данное понятие вкладывается количество вещества, в частности его атомов, молекул, равное таковому, содержащемуся в 12 г углерода, а именно его стабильного изотопа ¹²С. Количество вещества рассчитывается делением его веса на молекулярную массу, которую можно рассчитать, исходя из атомного состава. В таблице Менделеева по каждому элементу есть показатель его массы, равный 1 молю.

Примеры использования молярной концентрации

Концентрация водного раствора кислот, как правило, рассчитывается в молях или эквивалентах. Связано это с их агрессивностью, что требует быстрого переноса вещества в воду, поэтому здесь проще посчитать нужный объем, чем взвешивать. Расчет осуществляется делением массы на моль.

Другой причиной является применение кислот в реакциях по нейтрализации, которые, например, могут пригодиться в методах титриметрического анализа для определения концентрации щелочи. Здесь также активно используется нормальность. Проще говоря, серной кислоты для нейтрализации гидроксида калия нужно в 2 раза меньше, чем соляной, так как она содержит больше атомов водорода.

Другая область, где обязательно используется молярная концентрация – получение смесей веществ с определенным соотношением молекул или проведение реакций. Данный способ выражения содержания вещества более информативен, так как взаимодействуют друг с другом именно единицы. При работе с газами молярная концентрация является оптимальным способом расчета, так как летучее вещество взвесить сложно, поэтому расчет происходит по объему.

Массовая концентрация

Массовая концентрация раствора вещества является наиболее распространенным и самым простым способом количественного выражения. Часто она используется практически в лабораториях для взвешивания твердых соединений. Исходя из необходимости пересчет на другие концентрации осуществляется при опубликовании результатов. Объем твердого вещества измерить можно, но получается больше ненужных манипуляций.

Массовая концентрация используется при работе с многокомпонентными системами, например, со сложными природными объектами, водой, растительной массой, почвами. Она применяется при исследовании смеси неизвестного состава, приготовлении микробиологических сред. Определенная навеска смесей веществ, например, берется для исследования методом УФ спектроскопии и других аналитических методов. Такой способ измерения концентрации вещества используется, когда нет необходимости проводить четкую реакцию, для приготовления дезрастворов, при отлаженном способе пересчета, если исследователь определил нужную массу пропорцией.

Значение концентрации ионов

Как было сказано ранее, концентрация ионов в растворе часто рассчитывается с использованием нормальности. Связано это с тем, что когда взаимодействие происходит на уровне молекул, в реакцию вступают именно данные частицы.

Метод необходим также при расчете процесса электролиза солей. Последний достаточно активно применяется в практической деятельности. Например, для извлечения руд тяжелых металлов. С использованием данного метода получают фтор, хлор, очищают металлы. Сущность электролиза заключается в том, что при прохождении постоянного тока через раствор электролита с использованием отрицательного и положительного электрода (катода и анода), анионы и катионы движутся к противоположным зарядам и окисляются (или восстанавливаются).

Другие способы выражения концентрации растворов

Концентрация растворов рассчитывается различными методами потому, что в дальнейшем результаты применяются для разных целей. Мольная доля используется, как правило, для смеси газов. Она представляет собой отношение моля вещества к сумме всех других компонентов в системе, также выраженных в данных величинах.

Есть еще один способ расчета концентрации, который используется не так часто: моляльность. Это моль вещества, растворенного в 1 кг растворителя. Концентрация раствора соли или другого компонента в условиях сильного разбавления при расчете молярности и моляльности будут практически равны.

Приготовление растворов, исходя из способа расчета

В зависимости от способа выражения концентрации приготовление растворов может проводиться несколькими способами.

Взвешивание. Если необходимо приготовить 100 мл смеси, то делается навеска вещества, равная его проценту. При необходимости сделать меньший или больший объем жидкости пересчет осуществляется пропорцией или долями. Например, нужно сделать 50 мл 2% раствора вещества. Для определения количества навески в данном случае достаточно процент разделить на 2 раза, то есть получится 1 г вещества. После взвешивания можно всегда сделать перерасчет на молярную концентрацию.

Измерение объема применяется для приготовления жидких смесей. Пересчитать на объем можно любую концентрацию. В основном таким образом готовят молярные и нормальные растворы.

Заключение

Несмотря на простоту определения и расчета массовой доли, концентрация растворов, выраженная в молярных единицах, удобнее. Исследователи во все времена активно используют способы пересчета. Рассчитывают навеску вещества, а потом раствор выражают в молярной концентрации, объединяя таким образом преимущества двух методов. Почему последний способ расчета является более правильным в научном плане?

Вещества с равными молярными концентрациями содержат одинаковое количество молекул. Именно эта концентрация позволяет четко определить нужный объем вещества для реакции. Массовая доля является скорее вспомогательной, упрощая некоторые процессы. Ее часто применяют микробиологи для получения определенного соотношения бактериальной биомассы со средой. Связано это с тем, что данные ученые исследуют высокомолекулярные соединения, и им удобнее выражать соотношение веществ в массе. Для химиков и физиков молярная концентрация растворов является основной. Числовые характеристики содержания вещества необходимы практически во всех естественных науках.