Основная литература. 
Общая и неорганическая химия

• 1. Ершов Ю. А., Попков В. А. и др. Общая химия. — М.: Высшая школа, 1993;
• 2. Глинка Н. Л. Общая химия. — М.: Высшая школа, 1992;2000.
• 3. Селезнов К. А. Аналитическая химия. — М., 1960.
• 4. Бабков А. Б. и др. Практикум по общей химии с элементами количественного анализа. — М., 1978.

Дополнительная литература

• 5. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 2002;
• 6. Оганесян Э. Т. Неорганическая химия. — М.: Высшая школа, 1984;
• 7. Ленский А. С.

  Введение

  в бионеорганическую химию. — М.: Высшая школа, 1989;

• 8. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия. — М., 1981.

Элементы количественного анализа. Способы выражения концентрации растворов

I. Значение темы В аналитической и фармацевтической практике часто пользуются растворами определенного состава. Состав раствора — это его важнейший параметр. От него зависит характер протекания реакций, физиологическое действие лекарственного препарата на организм человека. Только овладев способами выражения состава растворов и научившись пересчитывать одни способы выражения концентраций в другие, можно рассчитать и приготовить требуемый объем раствора и заданного состава, разбавить концентрированный раствор до нужной концентрации.

II. Теоретические сведения.

Способы выражения концентрации в количественном анализе

Важной характеристикой раствора является его концентрация. Наиболее часто применяемые способы выражения концентрации: массовая доля, моляльная и молярная концентрации, молярная концентрация эквивалента вещества, титр.

Массовая доля — есть отношение массы растворенного вещества к массе всего раствора.

Массовую долю щ (х) выражают в долях единицы, чаще в процентах (%), и рассчитывают по формуле:

.

где m (x) — масса растворенного вещества х, г (кг);

m (раствора) — масса раствора, г (кг).

Моляльную концентрацию b (x) выражают в единицах моль/кг. Рассчитывают по формуле:

Молярная концентрация С (х) показывает число моль вещества в одном литре раствора (моль/л):

Молярное соотношение реагирующих веществ далеко не всегда равно 1:1, оно определяется стехиометрическими коэффициентами в уравнении реакции. В связи с этим вводится такое понятие как химический эквивалент.

Химический эквивалент — реальная или условная частица вещества Х, которая в обменной реакции эквивалентна одному протону, а в окислительно-восстановительной реакции — одному электрону.

Для простоты расчетов в количественном анализе вводится вспомогательный способ выражения концентрации — молярная концентрация эквивалента вещества.

Молярная концентрация эквивалента вещества показывает число моль эквивалента вещества в одном литре раствора (моль/л):

В обозначении величина называется фактором эквивалентности.

Фактор эквивалентности f (x) — это число, обозначающее какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основной реакции или одному электрону в окислительно-восстановительной реакции. Фактор эквивалентности рассчитывают из равенства:

.

где z — основность кислоты или кислотность основания Молярной массой эквивалента вещества Х называют величину, измеряемую произведением фактора эквивалентности и молярной массы вещества Х:

.

где — молярная масса эквивалента, г/моль Эквивалент вещества может быть определен только для конкретной реакции. Покажем это на примере серной кислоты.

В реакциях обмена может происходить замещение одного или двух протонов:

В окислительно-восстановительных реакциях:

Титр раствора Т (х) можно рассчитать по формуле:

.

где m (х) — масса вещества, г;

V (раствора) — объем раствора, мл Если известна молярная концентрация эквивалента, то титр можно рассчитать по формуле:

г/мл.

III. Вопросы для самоконтроля.

• 1. Сущность титриметрического анализа. Классификация титриметрических методов анализа.
• 2. Какой закон лежит в основе титриметрического анализа? Приведите его математическую запись.
• 3. Дайте определение понятия эквивалента, фактора эквивалентности и укажите их единицы измерения.
• 4. Каковы молярные массы эквивалента для серной кислоты, хлорида кальция, гидроксида бария?
• 5. Что называют молярной концентрацией, молярной концентрацией эквивалента, титром?

IV. Задачи с эталонами решения.

Пример 1: Определение фактора эквивалентности и молярной массы эквивалента вещества в окислительно-восстановительной реакции При взаимодействии алюминия и серы образуется сульфид алюминия. Вычислите факторы эквивалентности и молярные массы эквивалентов алюминия и серы.

Решение:

Реакция взаимодействия алюминия и серы протекает согласно уравнению:

Каждый атом алюминия отдает три электрона, а каждый атом серы принимает два электрона. Поэтому, .

Молярная масса эквивалента равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества:

а) 1 моль NaHCO₃ взаимодействует с 1 моль NaOH. Фактор эквивалентности гидроксида натрия. Поэтому.

б) 1 моль Al (OH)₂NO₃ взаимодействует с 2 моль HNO₃. Фактор эквивалентности азотной кислоты. Поэтому.

Решение:

1) Находим массу сульфата меди (II), необходимую для приготовления нужного раствора по формуле:

2) Находим массу кристаллогидрата CuSO₄•5H₂O. При этом имеем в виду, что CuSO₄ входит в состав кристаллогидрата в строгом массовом соотношении. Чтобы его найти, надо вычислить молярные массы:

Расчет показывает, что масса в граммах любого вещества, взятого в количестве 1 моль, численно равна молярной массе.

3) Из пунктов 1 и 2 видно, что:

в 250 г CuSO₄•5H₂O содержится 160 г CuSO₄

в m г CuSO₄•5H₂O содержится 10 г CuSO₄

Отсюда:

4) Находим массу воды:

Пример 4: Расчеты при разбавлении и смешивании растворов с различной массовой долей растворенного вещества Какая масса 80% серной кислоты потребуется для приготовления 200 г 10% раствора? Какая масса воды потребуется для этой цели?

Решение:

Для того, чтобы приготовить 10% раствор из 80%-ного, нужно последний разбавить водой. При этом между массами растворов и массовыми долями содержащихся в них растворенных веществ наблюдается обратная зависимость.

Записываем обратную пропорцию:

Определяем массу воды:

Пример 5: Приготовление растворов промежуточной концентрации из растворов большей или меньшей концентрации В каком массовом соотношении нужно смешать 5% и 60% растворы, чтобы приготовить 200 г 20% раствора?

Решение:

Составляем диагональную схему:

В центре пишем требуемую массовую долю. У левого конца каждой диагонали пишем данные массовые доли. Затем по диагонали производим вычитание (вычитают всегда из большей величины меньшую):

• 60−20=40
• 20−5=15

Результат вычитания проставляем у правого конца соответствующей диагонали.

Получилось, что требуется смешать 3 массовые части 5%-ного и 8 массовых частей 60% растворов, то есть в соотношении 3:8. (Если в смешении участвует вода, то массовая доля в ней равна 0.) Всего 3+8=11 массовых частей. Общая масса раствора должна быть 200 г.

Следовательно, одна массовая часть составляет. Тогда 60% раствора надо взять:

А 5% раствора:

Пример 6: Соотношение между молярными концентрациями эквивалентов растворов и их объемами Равные объемы растворов с одинаковой молярной концентрацией эквивалента разных веществ содержат эквивалентные количества растворенных веществ, и, если они могут реагировать между собой, то реагируют нацело (закон эквивалентов). Чем выше концентрация раствора, тем меньший его объем требуется для реакции, таким образом, между объемами растворов реагирующих веществ и их молярными концентрациями эквивалентов существует обратная зависимость, которую можно выразить формулой:

Навеску 7,652 г серной кислоты растворили в мерной колбе на 250 мл. На титрование 25 мл этого раствора пошло 20,2 мл раствора едкого натра с молярной концентрацией эквивалента 0,75 моль/л. Определить массовую долю серной кислоты.

1) По результатам титрования определяем молярную концентрацию эквивалента раствора серной кислоты:

2) Определяем массу чистой серной кислоты в 250 мл.

3)Находим массовую долю серной кислоны:

• 1. Вычислить количество 60% и 35% растворов азотной кислоты, которая потребуется для приготовления 2 кг 45% раствора.
• 2. Сколько грамм 75% раствора серной кислоты и воды потребуется для приготовления 500 г 15% раствора?
• 3. Для 20% раствора серной кислоты (с=1,14 г/мл) найти титр, массовую и молярную концентрации и молярную концентрацию эквивалента.
• 4. Какой объем 80% раствора серной кислоты нужно зять, чтобы приготовить 2 л раствора, где

• 5. 2,5 г нашатырного спирта () растворили в мерной колбе на 100 мл. На титрование 10 мл этого раствора пошло 15 мл 0,1 М раствора соляной кислоты. Определить массовую долю нашатырного спирта.
• 6. Какой объем соляной кислоты надо взять для приготовления 500 мл 0,1 М раствора, если ее плотность 1,2 г/см³. Массовая доля соляной кислоты составляет 39,11%.

VI. Литература для самоподготовки.

• 1. А. В. Бабков и др. Практикум по общей химии с элементами количественного анализа. — М., 1978. — с. 72−93
• 2. К. А. Селезнев Аналитическая химия. — М., 1966. — с. 5−10, 11−16, 213−214
• 3. А. С. Ленский Введение в бионеорганическую и биофизическую химию. — М., 1989. — с. 94−100
• 4. Ю. А. Ершов, В. А. Попков и др. Общая химия. — М., 1993. — с. 48−49