Что такое концентрация раствора?
Раствор — это гомогенная смесь: растворённое вещество (соль), растворённое молекула за молекулой в растворителе (воде). Концентрация отвечает на единственный вопрос, который тогда имеет химический смысл: насколько раствор «густой»? — потому что реакции происходят частица с частицей, и густой раствор реагирует не с той же скоростью, что разреженный. Каждая когда-либо придуманная единица концентрации — просто дробь: что-то на что-то. Внимательно прочитайте оба «что-то», и ни одна единица вас не удивит.
Одно правило, которое нужно запомнить: проверяйте числитель и знаменатель. Моли на литр раствора (M) и моли на килограмм растворителя (m) отличаются больше, чем буквой: знаменатели измеряют разные вещи.
Молярность, моляльность, нормальность: три знаменателя
Молярность (M) — это моли растворённого вещества на литр раствора — рабочая лошадка лаборатории, потому что пипетки и мерные колбы измеряют объём. Её слабость: объём расширяется с температурой, поэтому 1,0000 M при 20 °C — это не 1,0000 M при 40 °C. Моляльность (m) делит на килограммы растворителя, которые нагрев не меняет, — поэтому коллигативные расчёты (понижение температуры замерзания, повышение температуры кипения) настаивают именно на ней. Нормальность (N) считает эквиваленты на литр вместо молей: один моль H2SO4 даёт два эквивалента кислоты, поэтому 0,5 M H2SO4 — это 1 N; поле эквивалентов в панели (H2SO4 = 2, HCl = 1, H3PO4 = 3) как раз и выполняет этот пересчёт. Чтобы приготовить 1 л 0,1 M NaCl: взвесьте 5,844 г, растворите в меньшем объёме воды, затем доведите ровно до 1,000 л в мерной колбе — важен конечный объём, а не добавленная вода.
Разведение: моли, с которых вы начали, — те же, что и остаются
Разведение добавляет растворитель, но никогда растворённое вещество, поэтому моли сохраняются: C1V1 = C2V2 — это ничто иное, как «моли до = моли после» с выделенным объёмом. Пример панели разведения: маточный раствор 10 M, взято 50 мл, разведено до 250 мл — пятикратное увеличение объёма ровно в пять раз снижает концентрацию, C2 = 2,0000 M при коэффициенте разведения 5,0×. Та же бухгалтерия, выполненная в обратном порядке, говорит, сколько маточного раствора отмерить для нужной концентрации — повседневный хлеб приготовления буферов.
Проценты и ppm: концентрация для повседневной речи
Процентные растворы — это отношения на сто, в трёх разновидностях, которые нельзя путать: м/о (граммы твёрдого вещества на 100 мл раствора — по умолчанию в биологических лабораториях), о/о (мл на 100 мл, используется для жидкости в жидкости, например этанола) и м/м (граммы на 100 г, не зависит от сжатия объёма). Пример панели процентов: 5 г растворено до 100 мл — это 5% (м/о) = 50 г/л. Для очень разбавленных водных растворов на первое место выходит ppm — для воды определяемое как мг/л, потому что литр разбавленного раствора весит практически килограмм. Панель ppm пересчитывает один образец во все единицы: 1 ppm = 1000 ppb = 106 ppt = 0,0001% = 1 мг/л.
Мост молярной массы
Концентрации задают в молях, но весы и склянки оперируют граммами, а переводом между ними служит молярная масса. NaCl весит 58,440 г/моль (панель вычисляет её по тем же атомным массам, что и страница Молярная масса), поэтому растворение 58,440 г и доведение до ровно 1 л даёт 1,0000 M — это весь рецепт стандартного раствора. Панель молярности принимает либо формулу (масса вычисляется встроенным парсером), либо простую массу, и затем одновременно выводит моли, молярность, нормальность или ppm.
Распространённые заблуждения
- M и m — одна и та же единица. Литр раствора против килограмма растворителя: для разбавленной воды при комнатной температуре они почти совпадают, именно поэтому панель помечает свой вывод моляльности как приближение.
- ppm означает одно и то же везде. мг/л — сокращение, специфичное для воды. В газовых смесях и твёрдых телах ppm — строго отношение масса/масса (или моль/моль).
- Разведение меняет количество растворённого вещества. Меняется только концентрация. 50 мл маточного раствора 10 M и 250 мл продукта 2 M содержат одинаковые 0,50 моль.
- Объёмы аддитивны. 50 мл этанола + 50 мл воды дают около 97 мл — смешивание сжимает. Поэтому объёмные проценты предписывают «довести до объёма», а не «добавить».
Связанные инструменты: Молярная масса (переводчик граммов в моли), Уравниватель реакций (стехиометрия на этих молях) и Кислоты и основания (где концентрации превращаются в pH).
