Концентрация раствора

Количественная характеристика состава раствора, показывающая долю растворённого вещества относительно общего количества раствора или растворителя. В лабораторной практике применяют несколько способов выражения концентрации — массовая доля, молярность, нормальность, моляльность, титр — каждый удобен для своего класса задач.

Основные способы выражения

Массовая доля (ω)

Отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора, выражается в процентах или долях единицы.

ω = m(вещество) / m(раствор) · 100 %

Применяется повсеместно для технических растворов: 40 %-ная водка, 10 %-ный раствор NaCl, 96 %-ный этиловый спирт. Не зависит от температуры.

Молярная концентрация (молярность, C или M)

Количество молей растворённого вещества в 1 литре раствора. Единица — моль/л или М (молярный).

C = n(вещество) / V(раствор) = m / (M · V)

Применяется в аналитической химии, биохимии, клинических анализах. Пример: 1 М HCl — один моль (36,46 г) соляной кислоты в 1 литре раствора. Молярность зависит от температуры (через объём).

Нормальная концентрация (нормальность, N или н.)

Количество грамм-эквивалентов растворённого вещества в 1 литре раствора. Эквивалент зависит от реакции: для кислот и щелочей — число отдаваемых/присоединяемых ионов H⁺/OH⁻, для окислителей — число принимаемых/отдаваемых электронов.

Пример: 1 М раствор H₂SO₄ = 2 н., потому что одна молекула серной кислоты отдаёт 2 иона H⁺ при реакции с основанием. Нормальность удобна для стехиометрических расчётов титрования.

В современных рекомендациях IUPAC нормальность считается устаревшей единицей; вместо неё предпочитают молярность с явным указанием стехиометрического коэффициента.

Моляльная концентрация (моляльность, m или моль/кг)

Количество молей растворённого вещества в 1 килограмме растворителя (не раствора).

b = n(вещество) / m(растворитель)

Применяется в физической химии при изучении коллигативных свойств (понижение температуры замерзания, повышение температуры кипения, осмотическое давление). Не зависит от температуры — ключевое преимущество в исследованиях в широком температурном диапазоне.

Титр (T)

Масса растворённого вещества в 1 мл раствора, выражается в г/мл или мг/мл.

T = m(вещество) / V(раствор, мл)

Применяется в объёмном анализе: на титре рабочих растворов строится расчёт результата титрования. Пример: T(NaOH) = 0,004 г/мл — каждый миллилитр щёлочи содержит 4 мг NaOH.

Пересчёты

Основные формулы пересчёта:

Молярность ↔ массовая доля: C = ω · ρ · 10 / M, где ρ — плотность раствора (г/см³), M — молярная масса растворённого (г/моль), ω — массовая доля в %.

Титр ↔ молярность: T = C · M / 1000, где T в г/мл, C в моль/л.

Пример: 0,1 М раствор NaOH (M = 40) имеет титр T = 0,1 · 40 / 1000 = 0,004 г/мл.

Приготовление растворов заданной концентрации

В лаборатории раствор заданной молярности готовят в мерной колбе класса А:

Рассчитывают массу растворённого: m = C · V · M.
Навеску точно взвешивают на аналитических весах.
Переносят в мерную колбу необходимого объёма (обычно 100, 250, 500 или 1000 мл).
Растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды.
Доводят до метки по нижнему краю мениска.

Точность приготовления определяется классом точности мерной колбы и погрешностью взвешивания. Для класса А колбы 250 мл точность объёма ±0,15 мл, что соответствует относительной погрешности 0,06 % — при аналитической точности взвешивания это достаточно для работы с 0,1 М растворами в аналитической химии.

Связанные понятия

Мерная колба — основная посуда для приготовления растворов. Класс точности мерной посуды — допустимая погрешность. Титрование — метод, опирающийся на известную концентрацию титранта.