Тематические разделы дисциплины «Химия»

1. 1. Растворы. Способы выражения концентрации растворов

Учение о растворах представляет для медиков особый интерес, поскольку растворы имеют большое значение в биологии, физиологии, медицине и фармации. Растворами являются биологические жидкости организма: кровь, лимфа, спинномозговая и другие жидкости. Усвоение пищи связано с переходом питательных веществ в растворенное состояние. Биохимические реакции в живых организмах протекают в растворах. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии или переходят в растворенное состояние в организме.

Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или более компонентов. Каждый из компонентов раствора равномерно распределён между другими по всему объёму раствора в виде молекул, атомов или ионов.

По агрегатному состоянию растворы могут быть газообразными, жидкими и твёрдыми. Компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считается растворителем, остальные составляющие раствора – растворёнными веществами. Если все компоненты раствора находятся в одном агрегатном состоянии, растворителем считается тот из них, которого в растворе больше.

Важная характеристика раствора – концентрация. Она выражает относительное содержание растворённого вещества в растворителе. Этой величиной определяются многие свойства растворов.

В связи с введением в действие СИ, применяются следующие способы выражения концентрации растворов.

Массовая доля растворённого вещества – отношение массы растворённого вещества к массе раствора.

Wв – массовая доля растворённого вещества;

mв – масса растворённого вещества (г, кг);

mр – масса раствора (г, кг).

Массовую долю растворенного вещества (Wв) обычно выражают в долях единицы или %-ах.

Например, массовая доля растворённого вещества гидроксида натрия NaOH в воде = 0,1 или 10%. Это означает, что в растворе массой 100 г содержится NaOH массой 10 г и вода массой 90 г.

Молярная концентрация – показывает число молей растворенного вещества в одном кубическом дециметре раствора.

С(х) = n(х) / V, [моль/дм 3 , моль/л, М]

С(х) – молярная концентрация вещества;

n(х) – число моль вещества;

V – объём раствора (дм 3 , л).

Например, С(NaOH) = 0,1 моль/дм 3 ;

С(Н + ) = 2 ∙10 –2 моль/дм 3 .

Молярное соотношение реагирующих веществ не всегда равно 1÷1, оно определяется стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. В связи с этим вводится понятие «химический эквивалент».

Химический эквивалент – реальная или условная частица вещества, которая в обменной реакции эквивалентна одному протону, а в о/в реакции – одному электрону.

В связи с этим понятием вводится ещё один способ выражения концентрации растворов – молярная концентрация эквивалента вещества.

Молярная концентрация эквивалента вещества (нормальная концентрация) – показывает число моль эквивалента вещества в одном дм 3 (л) раствора.

Молярную концентрацию эквивалента вещества обозначают С(1/zX) выражают [моль/дм 3 , моль/л, н].

Выражение 1/z называется фактором эквивалентности. Он показывает, какая доля реальной частицы вещества соответствует эквиваленту.

В обменных реакциях число z показывает суммарный заряд обменивающихся ионов (в соответствии с уравнением реакции, знак заряда во внимание не принимается), в о/в реакциях – число отданных или принятых электронов.

Важно отметить, что одно и то же вещество может иметь разные эквиваленты в разных химических реакциях, поэтому эквивалент вещества может быть определён только для конкретной реакции. Рассмотрим это на примерах:

1. В реакциях обмена с участием Н2SO4 может происходить замещение одного или двух протонов. В зависимости от этого эквивалент серной кислоты меняется:

2. В о/в реакциях с участием КМnO4 в зависимости от кислотности среды образуются продукты восстановления, число электронов меняется, поэтому и эквивалент КМnO4 также будет разным:

МnO4 – + 8Н + + 5е → Mn 2+ + 4H2O z = 5 => 1/z = 1/5

б) нейтральная среда

МnO4 – + 3Н + + 3е → MnО2 + 2H2O z = 3 => 1/z= 1/3

в) щелочная среда

МnO4 – + 1е → MnО4 2– z = 1 => 1/z = 1

Необходимо быстро и правильно переходить от одного способа выражения концентрации к другому. Полезно запомнить, что С(1/zХ) = z ∙ С(Х)

Если 1/z = 1, то молярная концентрация эквивалента вещества будет равна молярной концентрации. Во всех других случаях она всегда будет больше молярной концентрации во столько раз, во сколько раз эквивалент меньше реальной частицы, т.е.

Например, молярная концентрация эквивалента раствора Н3РО4 с молярной концентрацией С(Н3РО4) = 0,2 моль/дм 3 составляет С(1/3 Н3РО4) = 0,2 · 3 = 0,6 моль/дм 3 .

Расчёт молярных масс эквивалентов М (1/z Х) кислот, щелочей солей,

окислителей-восстановителей

Молярная масса эквивалента кислоты есть отношение молярной массы данной кислоты к числу ионов водорода участвующих в реакции:

Молярная масса эквивалента основания есть отношение молярной массы основания к числу ионов гидроксила участвующих в реакции:

Молярная масса эквивалента соли есть отношение молярной массы соли к произведению числа атомов металла данной соли на его степень окисления.

Молярная масса эквивалента окислителя или восстановителя есть отношение молярной массы окислителя или восстановителя к числу электронов, отданных или принятых в данной реакции.

Титр – отношение массы растворённого вещества к объёму раствора.

t – титр раствора;

m – масса растворённого вещества, г;

V – объём раствора.

Например, t(Na2СО3) = 0,00125 г/см 3 , означает, что в 1см 3 раствора содержится 0,00125 г Na2СО3.

Для освоения темы «Способы выражения концентрации растворов» необходимо знать следующие понятия и их обозначения:

mв – масса растворённого вещества (г, кг);

mр – масса раствора (г, кг);

Wв – массовая доля вещества (доля единицы, %);

М(Х) – молярная масса вещества (г/моль, кг/моль);

1/z – фактор эквивалентности (безразмерная величина);

n(Х) – количество вещества (моль);

n(1/zХ) – количество вещества эквивалента (моль);

С(Х) – молярная концентрация (моль/дм 3 , моль/л);

С(1/zХ) – молярная концентрация эквивалента (моль/дм 3 , моль/л);

ρ – плотность раствора (г/см 3 , кг/м);

V – объём раствора (дм 3 , см 3 , м);

t – титр раствора (г/см 3 ).

При решении задач полезно пользоваться формулами, вышеприведёнными, а также: