Форма выражения концентрации веществ растворов

Концентрация раствора - это количество вещества, содержащегося в определенном весовом количестве раствора (растворителя) или в определенном объеме раствора. Можно выделить четыре основных способа выражения концентраций.

1. Измерение концентрации по плотности раствора в градусах Боме (применяется для крепких кислот и щелочей), по удельному весу (применяется для различных растворов, преимущественно для кислот и щелочей).

2. Измерение концентрации по весу вещества в единице веса раствора - по весовым процентам, т. е. по количеству вещества в граммах в 100 г готового раствора. Следует отметить, что часто этой формой неверно называют раствор, приготовленный растворением а граммов вещества в 100 мл растворителя, в то время как для приготовления а-процентного раствора надо растворить а граммов вещества в 100 - а граммах воды.

3. Измерение концентрации по весовому количеству растворенного вещества в единице объема раствора, например по количеству миллиграммов растворенного вещества в 1 л раствора.

4. Измерение концентрации растворенного вещества путем выражения ее количеством грамм-молекул (г-моль), грамм-ионов (г-ион) или грамм-эквивалентов (г-экв):

а) по числу грамм-молекул растворенного вещества в 1 л или в 1 кг раствора. Для выражения концентрации в этой форме надо число граммов вещества, находящегося в единице объема или веса, разделить на его молекулярный вес.

б) по числу грамм-ионов растворенного вещества в 1 л или в 1 кг раствора. Для этого нужно число граммов данного иона, содержащегося в единице объема или веса, разделить на его ионный вес. Эта форма, так же как и молярная, употребляется при изучении химических равновесий для расчетов;

в) по числу грамм-эквивалентов растворенного вещества в 1 л или в 1 кг раствора. В этом случае нужно количество граммов вещества, содержащегося в 1 л раствора, разделить на эквивалентный вес. При этом эквивалентный вес вещества будет зависеть от того, в какой форме дано его содержание, т. е. в виде молекулы H2SО4 или в виде иона SO4 2- . В первом случае эквивалентный вес будет равен 98,08/2=49,04, во втором 96,06/2=48,03. Кроме того, эквивалент для некоторых веществ в разных реакциях неодинаков. Способ выражения концентрации раствора в эквивалентах удобен тем, что растворы с равным количеством эквивалентов в 1 л реагируют между собой в равных объемах.

Поэтому в аналитической химии получили широкое распространение так называемые нормальные растворы, т. е. растворы, в одном литре которых содержится один грамм-эквивалент вещества. Если раствор содержит 2 г-экв/л вещества, то он называется двухнормальным (2N), если содержит 1 г-экв/л вещества - нормальным (1 N), десятую часть - децинормальным (0,1 N) и сотую часть - сантинормальным (0,01 N).

Если в приведенных выше трех формах концентрации (молекулярной, ионной и эквивалентной) взять величины, в 1000 раз меньшие, то получается соответственно миллиграмм-моли, миллиграмм-ионы и миллиграмм-эквиваленты. 18.07.1951 г. утверждена единица для измерения жесткости и щелочности воды. Взамен ранее существовавшего градуса введены единицы миллиграмм-эквивалент на литр (мг-экв/л) для измерения больших величин и микрограмм-эквивалент на литр (мкг∙экв/л) для измерения малых жесткостей и щелочности.

Жесткость воды определяется содержанием в ней ионов кальция и магния и выражается в грамм-эквивалентах на литр или в миллиграмм-эквивалентах на литр.

Один немецкий градус жесткости соответствует 10 мг СаО или 7,19 мг MgO в 1 л воды (соответственно 7,147 мг Са 2+ или 4,337 мг Mg 2+ в 1 л).

Один миллиграмм-эквивалент в литре соответствует 20,04 мг Са 2+ или 12,16 мг Mg 2+ . Таким образом, новая единица измерения жесткости или щелочности больше немецкого градуса почти в 2,8 раза. Для перевода градусов жесткости или щелочности в миллиграмм-эквиваленты на литр необходимо число градусов умножить на коэффициент 0,35663 или разделить на 2,804.

Пересчет концентраций различных растворенных в воде веществ в новые единицы весьма прост. Величина миллиграмм-эквивалента любого вещества является тем числом, на которое следует делить его весовую концентрацию, выраженную в миллиграммах на литр, чтобы получить выражение концентрации в новых единицах.

Для ряда веществ может существовать не одно, а несколько значений эквивалентного веса. Следовательно, и концентрацию таких веществ в миллиграмм-эквивалентах на литр можно выразить разными числами в зависимости от реакции, в которой участвует данное вещество. В качестве примера можно рассмотреть фосфат натрия.

Концентрацию этого вещества в растворе можно определить, титруя жидкости в присутствии фенолфталеина или метилоранжа. В первом случае

Кроме того, трехзамещенный фосфат натрия с ионами кальция может образовывать фосфорит Са3(РО4)2 или гидроксилапатин Са10(РО4)6(ОН)2.

Очевидно, что эквивалент Na3PО4 во всех четырех реакциях будет различен. В первом случае он будет равен молекулярному весу, во втором - половине его, в третьем - одной трети молекулярного веса, а в четвертом - трем десятым. Числовые значения эквивалента будут, следовательно, равны 163,97; 81,985; 54,657 и 49,191.

Для иона РО4 3- величина эквивалентов соответствует следующим реакциям:

РО4 3- + Н + = НРО 2- 4 (эквивалентный вес 94,98);

РО4 3- + 2Н + = Н2РО - 4 (эквивалентный вес 47,49);