Объемный анализ и его методы. Концентрации растворов: титр, нормальная концентрация

ГЛАВА II. ОБРАЗОВАНИЕ РАСТВОРОВ
2.1.СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА
Образование раствора является сложным физико-химическим процессом. Процесс растворения всегда сопровождается увеличением энтропии системы; при образовании растворов часто имеет место выделение либо поглощение теплоты. Теория растворов должна объяснять все эти явления.
Исторически сложились два подхода к образованию растворов – физическая теория, основы которой были заложены в XIX веке, и химическая, одним из основоположников которой был Д.И. Менделеев. 
Физическая теория растворов рассматривает процесс растворения как распределение частиц растворенного вещества между частицами растворителя, предполагая отсутствие какого-либо взаимодействия между ними. Единственной движущей силой такого процесса является увеличение энтропии системы ΔS; какие-либо тепловые или объемные эффекты при растворении отсутствуют (ΔН = 0, ΔV = 0; такие растворы принято называть идеальными).
Химическая теория рассматривает процесс растворения как образование смеси неустойчивых химических соединений переменного состава, сопровождающееся тепловым эффектом и изменением объема системы (контракцией), что часто приводит к резкому изменению свойств растворенного вещества.
Современная термодинамика растворов основана на синтезе этих двух подходов.
В общем случае при растворении происходит изменение свойств и растворителя, и растворенного вещества, что обусловлено взаимодействием частиц между собой по различным типам взаимодействия: Ван-дер-Ваальсового (во всех случаях), ион-дипольного (в растворах электролитов в полярных растворителях), специфических взаимодействий (образование водородных или донорно-акцепторных связей). Учет всех этих взаимодействий представляет собой очень сложную задачу. Очевидно, что чем больше концентрация раствора, тем интенсивнее взаимодействие частиц, тем сложнее структура раствора. Поэтому количественная теория разработана только для идеальных растворов, к которым можно отнести газовые растворы и растворы неполярных жидкостей, в которых энергия взаимодействия разнородных частиц EA-B близка к энергиям взаимодействия одинаковых частиц EA-A и EB-B. 
Концентрация раствора - содержание растворенного вещества в виде массы, объема или количества в единице массы или объема раствора (растворителя) называется.
Различают массовые и объемные концентрации. В аналитической химии применяют и первые, и вторые.
Процентная концентрация по массе (%) показывает содержание растворенного вещества в г (кг) в 100 г (кг) раствора и рассчитывается по формуле:

С(%) = ,

где mp - масса раствора, в котором содержится масса вещества (mв).

Процентная концентрация по объему (%) - показывает содержание вещества в см3 в 100 см3 раствора:
С (%) = ,
где Vp- объем раствора, содержащего объем вещества (Vв).
1 см3 = 1 мл, 1 дм3 = 1л
Массообъемная процентная концентрация (%) - показывает содержание вещества в г (кг) в 100 см3 (дм3) раствора:
С (%) = ,
где Vp– объем раствора, содержащий массу вещества (mв).
Зная массу раствора, можно рассчитать его объем и, наоборот, по объему раствора рассчитать его массу:

mp = ρVp,

где ρ - плотность раствора (г/см3)/

Молярная концентрация (М) — число молей растворенного вещества в 1 дм3 раствора:
М (моль/л) = = ,
где Мв — молярная масса вещества, г/моль, Vp – объем раствора в мл.
Нормальная концентрация (N)— число молей эквивалентов растворенного вещества в 1 дм3раствора:

N (моль. экв/л) = ,

где Эв — эквивалентная масса вещества, г/моль, Vp – объем раствора в мл.

Эквивалентом называется некая реальная или условная частица, которая может присоединять, высвобождать или быть каким-либо другим образцом эквивалента одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях.
Фактор эквивалентности (f) — это число, обозначающее, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна одному иону водорода в данной кислотно-основной реакции или одному электрону в данной реакции окисления — восстановления.
Фактор эквивалентности и эквивалент данного вещества являются не постоянными величинами, а зависят от стехиометрии реакции, в которой они принимают участие.
Молярной массой эквивалента вещества Эв (эквивалентной массой) называют массу одного моля эквивалентов этого вещества, равную произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества.
Зная нормальность раствора, можно рассчитать молярность, и наоборот:

M = N или М = N*f.

Моляльная концентрация (m) – число моль вещества растворенное в 1000 г растворителя:

m (моль /1000 ) = ,

где mв – масса растворенного вещества в г,

mр-ль – масса растворителя в г,
Мв –молярная масса вещества.
Титр раствора (Т) - число грамм вещества, содержащееся в 1 мл раствора.
Т (г/мл) =

где mв – масса растворенного вещества в г, Vр – объем раствора в мл.

Применимость способов выражения концентрации растворов, их свойства
В связи с тем, что моляльность, массовая доля, мольная доля не включают в себя значения объёмов, концентрация таких растворов остаётся неизменной при изменении температуры.
Молярность, объёмная доля, титр, нормальность изменяются при изменении температуры, так как при этом изменяется плотность растворов. Именно моляльность используется в формулах повышения температуры кипения и понижения температуры замерзания растворов.
Разные виды выражения концентрации растворов применяются в разных сферах деятельности, в соответствии с удобством применения и приготовления растворов заданных концентраций
Независимо от того, какие растворы приготовлены, следует использовать только чистые растворители. Если вода является растворителем, то можно использовать только дистиллированную или деминерализованную воду, а в некоторых случаях даже бидистиллат или специально очищенную дистиллированную воду.
Предварительно приготовьте посуду соответствующей емкости (см. Ниже), в которой будет готовиться и храниться полученный раствор. Блюда должны быть чистыми. Если существует опасение, что водный раствор может взаимодействовать с материалом посуды, то тарелки внутри должны быть покрыты церезином, парафином или другими химически стойкими веществами.
Пример. Если вам нужно приготовить 1 литр какого-то раствора, то для растворения следует брать посуду емкостью не более 1,5 литра. Если готовится 10 литров раствора, емкость должна быть не более 12-13 литров.
Перед приготовлением растворов необходимо приготовить, если возможно, два одинаковых сосуда: один для растворения, а другой для хранения раствора. Может случиться так, что раствор необходимо будет отфильтровать от любого осадка или примесей, которые не растворяются в этих условиях.
Полезно предварительно градуировать промытый сосуд. Это особенно актуально для бутылок большой емкости. Выпуск осуществляется следующим образом: 1 литр воды отмеряется градуированным цилиндром и разливается в бутылку. На стенке бутылки линия воска рисуется восковым карандашом, который совпадает с уровнем воды в бутылке, и ставится цифра 1. Затем наливают второй литр воды и уровень отмечают цифрой 2. Это делается до тех пор, пока бутылка не наполнится до плеча. Расстояние между цифрами в целых литрах может быть уменьшено вдвое более короткой полосой. Каждая такая черта будет соответствовать 0,5 литра.
Для растворения используйте как можно более чистые вещества. Готовые растворы должны быть проверены на содержание желаемого вещества и, при необходимости, растворы исправлены, то есть к ним добавлено недостающее количество вещества или воды.
Необходимо принять меры для защиты приготовленных растворов от попадания пыли или газов, с которыми могут реагировать некоторые растворы. Итак, щелочи должны быть защищены от углекислого газа; для этого бутылка со щелочью снабжается трубкой из хлорида кальция, заполненной щелочью натрия или аскаритом.
Как во время приготовления растворов, так и во время их хранения, бутылки или другая посуда должны быть закрыты предварительно выбранными пробками.
При особенно точных и критических анализах крайне важно учитывать возможность выщелачивания стекла и использовать, если возможно, кварцевую посуду или такую, стекло которой не будет содержать желаемый элемент. Таким образом, ошибка неизбежна при определении бора, цинка, алюминия, свинца и некоторых других элементов в стеклянной посуде, содержащей эти элементы.
В некоторых случаях растворы следует хранить в атмосфере инертного газа, такого как азот или диоксид углерода. Для этого существуют специальные устройства или специальные бюретки, адаптированные для каждого случая титрования.
Для хранения растворов в атмосфере углекислого газа устройство, вставляется в бутылку с раствором на пробке. 348. Куски мрамора среднего размера выливаются в середину, расширенную часть (как для аппарата Киппа), верхняя сфера заполнена стекловолокном. Раствор соляной кислоты, разбавленный 1: 2, заливают в устройство через боковую воронку. Если жидкость выливается из бутылки через трубку, то над уровнем жидкости создается вакуум, и раствор соляной кислоты перемещается в средний шарик. В результате начинается реакция с мрамором, и полученный углекислый газ попадает в бутылку. Когда в баллоне создается небольшое давление, соляная кислота перемещается в нижний шар, и выделение газа прекращается.
Щелочные растворы не следует долго оставлять в фарфоре и особенно в стеклянной посуде. Если вам нужно их оставить, то сначала нужно нейтрализовать растворы, затем слегка подкислять и хранить только подкисленные растворы. В то же время лучше оставить растворы в фарфоре, а не в стекле.