Czym jest stężenie roztworu?
Roztwór to mieszanina jednorodna: substancja rozpuszczona (sól) rozproszona cząsteczka po cząsteczce w rozpuszczalniku (woda). Stężenie odpowiada na jedyne pytanie, które wtedy ma znaczenie chemiczne — jak gęsto jest? — bo reakcje zachodzą cząstka z cząstką, a zagęszczony roztwór reaguje w innym tempie niż rzadki. Każda jednostka stężenia to po prostu ułamek: coś-na-coś. Dokładne przeczytanie obu „czegoś” sprawia, że żadna jednostka nie zaskoczy.
Jedna reguła do zapamiętania: sprawdź licznik i mianownik. Mole na litr roztworu (M) i mole na kilogram rozpuszczalnika (m) różnią się czymś więcej niż literą — mianowniki mierzą co innego.
Molarność, molalność, normalność: trzy mianowniki
Molarność (M) to mole substancji rozpuszczonej na litr roztworu — koń roboczy laboratorium, bo pipety i kolby miarowe mierzą objętość. Jej słabość: objętość rośnie z temperaturą, więc 1,0000 M w 20 °C nie jest 1,0000 M w 40 °C. Molalność (m) dzieli przez kilogramy rozpuszczalnika, którego ciepło nie zmienia — dlatego prace koligatywne (obniżenie temperatury krzepnięcia, podwyższenie temperatury wrzenia) jej wymagają. Normalność (N) liczy równoważniki na litr zamiast moli: jeden mol H2SO4 dostarcza dwa równoważniki kwasu, więc 0,5 M H2SO4 to 1 N — pole równoważników w panelu (H2SO4 = 2, HCl = 1, H3PO4 = 3) to dokładnie to przeliczenie. Aby przygotować 1 L 0,1 M NaCl: odważ 5,844 g, rozpuść w mniej niż litrze, a następnie uzupełnij do dokładnie 1,000 L w kolbie miarowej — liczy się objętość końcowa, a nie dodana woda.
Rozcieńczanie: mole, z którymi się zaczyna, są molami, które się zachowuje
Rozcieńczanie dodaje rozpuszczalnik, nigdy substancję rozpuszczoną, więc mole się zachowują: C1V1 = C2V2 to nic innego jak „mole przed = mole po” z wydzieloną objętością. Próbka panelu Rozcieńczanie: roztwór wyjściowy 10 M, pobrano 50 mL, rozcieńczono do 250 mL — pięciokrotny wzrost objętości dokładnie pięciokrotnie obniża stężenie, C2 = 2,0000 M przy współczynniku rozcieńczenia 5,0×. Ta sama księgowość, odwrócona, mówi, ile roztworu wyjściowego odmierzyć dla docelowego stężenia — chleb powszedni przygotowania buforów.
Procent i ppm: stężenie w codziennym języku
Roztwory procentowe to stosunki na sto, w trzech odmianach, których nigdy nie wolno mylić: m/v (gramy ciała stałego na 100 mL roztworu — domyślne w laboratoriach biologicznych), v/v (mL na 100 mL, używane dla cieczy w cieczy, np. etanolu) oraz m/m (gramy na 100 g, odporne na kurczenie się objętości). Próbka panelu procentów: 5 g rozpuszczone do 100 mL to 5% (m/v) = 50 g/L. Dla bardzo rozcieńczonych roztworów wodnych przejmuje PPM — dla wody zdefiniowane jako mg/L, bo litr rozcieńczonego roztworu waży zasadniczo kilogram. Panel PPM przelicza jedną próbkę wszędzie: 1 ppm = 1000 ppb = 106 ppt = 0,0001% = 1 mg/L.
Most masy molowej
Stężenia podaje się w molach, ale butelki i wagi mówią w gramach, a tłumaczenie między nimi to masa molowa. NaCl waży 58,440 g/mol (panel oblicza to z tych samych mas atomowych co strona Masa molowa), więc rozpuszczenie 58,440 g i uzupełnienie do dokładnie 1 L daje 1,0000 M — to cały przepis na roztwór wzorcowy. Panel Molarność przyjmuje wzór (masę liczoną przez wbudowany parser) albo zwykłą masę, a następnie podaje obok siebie mole, molarność, normalność lub ppm.
Typowe nieporozumienia
- M i m to ta sama jednostka. Litr roztworu a kilogram rozpuszczalnika: dla rozcieńczonej wody w temperaturze pokojowej prawie się pokrywają, dlatego panel opisuje wynik molalności jako przybliżony.
- PPM oznacza wszędzie to samo. mg/L to skrót właściwy dla wody. W mieszaninach gazów i w ciałach stałych ppm to ściśle stosunek masowy (lub molowy).
- Rozcieńczanie zmienia ilość substancji rozpuszczonej. Zmienia tylko stężenie. 50 mL 10 M roztworu wyjściowego i 250 mL produktu 2 M zawierają identyczne 0,50 mol.
- Objętości się sumują. 50 mL etanolu + 50 mL wody dają około 97 mL — mieszanie się kurczy. Dlatego procenty v/v określa się jako „rozcieńcz do objętości”, a nie „dodaj”.
Powiązane narzędzia: Masa molowa (tłumacz gramy↔mole), Bilansowanie równań (stechiometria na tych molach) oraz Kwasy i zasady (gdzie stężenia zamieniają się w pH).
