Stężenia roztworów: Od definicji do praktycznych zastosowań i przeliczeń

Podstawowe pojęcia i znaczenie stężenia

Z pojęciem stężenia niejednokrotnie masz do czynienia w codziennym życiu. Stężenie procentowe oznacza stosunek masy substancji rozpuszczonej do masy całego roztworu, najczęściej wyrażony w skali procentowej. Przykładowo, kupując sok, wybierasz ten z oznaczeniem stu procent danego owocu, sugerując się jego jakością.

Podobnie jest, gdy się skaleczysz, sięgasz wtedy po środek umożliwiający zdezynfekowanie rany. Najczęściej jest nim woda utleniona o stężeniu 3%. Wielkość ta nie jest przypadkowa, ponieważ różne stężenia tej substancji mają inne zastosowania.

Nadtlenek wodoru: Różne stężenia - różne zastosowania

Idąc tym tropem, roztwór nadtlenku wodoru (H₂O₂) o stężeniach 6-12% jest powszechnie używany w fryzjerstwie do rozjaśniania włosów. Znany jest również roztwór H₂O₂ o stężeniu 30%. Taki roztwór nadtlenku wodoru potocznie nazywany jest perhydrolem. Jest to bezbarwna oraz bezwonna ciecz, ale wykazująca żrące właściwości wobec tkanek żywych, w efekcie czego pozostawia martwicze białe plamy na skórze. Dlatego nie można jej stosować w celach dezynfekcyjnych jak 3% wody utlenionej, lecz znajduje ona zastosowanie jako silny utleniacz w przemyśle chemicznym.

Woda utleniona (roztwór 3%) rozkłada się przy kontakcie z krwią i peroksydazami, gwałtownie wydzielając tlen i spieniając okolice zranienia.

Trzydziestoprocentowy roztwór nadtlenku wodoru stosowany jest jako środek wybielający oraz utleniacz. Używany jest także do oczyszczania kości z resztek tkanek miękkich (np. w celu wypreparowania trofeów myśliwskich).

Istnieją jeszcze bardziej stężone roztwory nadtlenku wodoru, o stężeniu 85%-98%, stosowane jako utleniacze paliw rakietowych oraz paliw okrętów podwodnych. Pierwszy w historii rakietowy pocisk balistyczny - rakieta V2 - była napędzana na skutek reakcji 80% roztworu nadtlenku wodoru z manganianem(VII) potasu. Reakcja ta jest silnie egzotermiczna i powoduje wydzielanie znacznych ilości pary wodnej i tlenu. Powstałe ciśnienie tlenu napędzało turbopompę pompującą mieszaninę paliwową do komory spalania. Mieszanina paliwowa składała się z alkoholu etylowego z wodą oraz ciekłego tlenu.

Równanie reakcji: 2 KMnO₄ + 3 H₂O₂ → 2 MnO₂ + 2 KOH + 2 H₂O↑ + 3 O₂↑

Morze Martwe - naturalny przykład ekstremalnego stężenia

Morze Martwe (jezioro) w Izraelu otrzymuje wodę z kilku strumieni, ale nie ma odpływu. Z uwagi na nieprzerwane parowanie wody dochodzi do ciągłej koncentracji soli. Średnie zasolenie Morza Martwego wynosi w przybliżeniu 25% - w porównaniu z zaledwie 3,5% dla wody oceanicznej. Duże zasolenie sprawia, że woda nie nadaje się do zasiedlenia przez ryby, za to z wody pozyskuje się duże ilości soli sodowej i potasowej.

Co ciekawe, duża koncentracja soli powoduje, że pływacy nie są w stanie zatopić się w morzu. Niezwykle wysokie stężenie soli w Morzu Martwym sprawia, że na powierzchni z łatwością unoszą się ludzie nieumiejący pływać. To zjawisko jest również wykorzystywane przez turystów do czytania książek swobodnie dryfując na powierzchni wody, bez zmartwienia o zamoczenie trzymanej przez nich literatury.

Halit jest minerałem, który znany i używany był już od czasów starożytnych. Występuje on wzdłuż zachodniego wybrzeża Morza Martwego, a jego głównym składnikiem jest chlorek sodu.

Obliczanie stężenia procentowego i jego zmiany

Wzór i proporcje w obliczeniach stężenia procentowego

W celu poprawnego sporządzenia roztworu o żądanym stężeniu procentowym można skorzystać z prostych wzorów matematycznych. Ważne! Pamiętaj o uzgodnieniu jednostek! Jeżeli stężenie molowe wyrażone jest w molach na dm³, to również gęstość powinna być wyrażona w jednostce masy na dm³.

Z definicji wiemy, że stężenie procentowe roztworu (Cp) to masa substancji rozpuszczonej [g] w 100 g roztworu, wyrażona w procentach [%].

Gdzie:

• ms - masa substancji rozpuszczonej
• mr - masa roztworu (masa substancji rozpuszczonej + masa rozpuszczalnika)

Możemy to zapisać w następujący sposób:

mr - 100%
ms - X

Znając zasady obliczania proporcji, możemy wyprowadzić wzór:

Cp = (ms ⋅ 100%) / mr
Cp = (ms / mr) ⋅ 100%

Za pomocą metody proporcji lub wzoru w łatwy sposób można wykonać niezbędne obliczenia i na ich podstawie sporządzać roztwory o dowolnym stężeniu.

Metody zmiany stężenia roztworu

Istnieje kilka sposobów zmiany stężenia procentowego roztworu:

Mieszanie i rozcieńczanie roztworów: Metoda krzyżowa

Obliczenia dotyczące mieszania lub rozcieńczania roztworów można wykonać stosując tzw. metodę krzyżową. Jeśli rozcieńczymy roztwór czystym rozpuszczalnikiem albo zmieszany dwa roztwory tej samej substancji o różnych stężeniach, to otrzymamy nowy roztwór.

Ta metoda pozwala szybko ustalić stosunek masowy, w jakim należy zmieszać roztwory o różnych stężeniach, aby otrzymać roztwór o stężeniu pośrednim.

Przykład 1: W jakim stosunku masowym należy zmieszać 10% roztwór HCl z 25% roztworem tej samej substancji, aby otrzymać roztwór 15%?

Rozwiązanie metodą krzyżową:

 25% | 15 - 10 | = 5 części roztworu 25% | | \ | | / \ | 15% | / \ | | / \ | | / \ | | / 10% | 25 - 15 | = 10 części roztworu 10%

Stosunek masowy roztworu 25% do roztworu 10% wynosi 5:10, czyli 1:2.

Przykład 2: W jakim stosunku masowym należy zmieszać roztwór 4% z wodą (woda ma stężenie procentowe równe 0%, bo nie ma tam substancji), aby otrzymać roztwór 1,5%?

 4% | 1,5 - 0 | = 1,5 części roztworu 4% | | \ | | / \ | 1,5% | / \ | | / \ | | / 0% | 4 - 1,5 | = 2,5 części wody

Stosunek masowy roztworu 4% do wody wynosi 1,5:2,5, co po uproszczeniu daje 3:5.

Stężenie molowe i przeliczanie stosunków

W zaawansowanej chemii, szczególnie w stechiometrii, niezwykle istotne jest pojęcie stężenia molowego oraz umiejętność przeliczania stosunków masowych na molowe i odwrotnie. Stechiometria mieszanin jest jednym z tych tematów, które sprawiają uczniom niemal zawsze najwięcej problemów.

Przeliczanie stosunku masowego na molowy

Aby przeliczyć stosunek masowy składników mieszaniny na stosunek molowy, potrzebne są wartości mas molowych poszczególnych substancji.

Przykład: Przygotowując eluent do przeprowadzenia chromatografii płytkowej, zmieszano 6,8 g dichlorometanu (CH₂Cl₂) z 9,24 g tetrachlorometanu (CCl₄). Wyznacz stosunek molowy składników.

Potrzebne masy molowe:

• M(CH₂Cl₂) = 85 g/mol
• M(CCl₄) = 154 g/mol

Liczba moli CH₂Cl₂:

n(CH₂Cl₂) = 6,8 g / 85 g/mol = 0,08 mol

Liczba moli CCl₄:

n(CCl₄) = 9,24 g / 154 g/mol = 0,06 mol

Stosunek molowy CH₂Cl₂ do CCl₄ wynosi 0,08 mol : 0,06 mol. Możemy ten stosunek uprościć do postaci najmniejszych liczb naturalnych, mnożąc obie wartości przez 100:

8 : 6, co daje 4 : 3.

Przeliczanie stosunku molowego na masowy

Analogicznie, aby przeliczyć stosunek molowy składników mieszaniny na stosunek masowy, również potrzebne są masy molowe.

Przykład: W pewnej mieszaninie stosunek molowy żelaza (Fe) do siarki (S) wynosi 4:7. Wyznacz stosunek masowy składników.

Oznacza to, że na każde 4 mole żelaza w tej mieszaninie przypada 7 moli siarki.

Potrzebne masy molowe:

• M(Fe) = 56 g/mol
• M(S) = 32 g/mol

Masa 4 moli Fe:

m(Fe) = 4 mol ⋅ 56 g/mol = 224 g

Masa 7 moli S:

m(S) = 7 mol ⋅ 32 g/mol = 224 g

Z powyższych obliczeń wynika, że w naszej mieszaninie stosunek masowy Fe do S wynosi 224 g : 224 g, czyli 1:1.

Słownik kluczowych terminów

• Zatężać - zmniejszać objętość roztworu przez odparowanie rozpuszczalnika.
• Parować - przemiana cieczy w parę; wydzielać wodę w postaci pary.
• Stężenie - miara ilości substancji (indywiduum chemicznego) zawarta w mieszaninie.
• Rozcieńczać - zmniejszać stężenie roztworu przez dodawanie rozpuszczalnika.
• Szkiełko zegarowe - rodzaj szklanego sprzętu laboratoryjnego, o kształcie okrągłego fragmentu sfery.

Bibliografia

• Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, Warszawa 2010.
• Galus Z., Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, praca zbiorowa pod red. Z. Galusa, Warszawa 1996.
• Pazdro K., Zbiór zadań z chemii dla szkół ponadgimnazjalnych, Warszawa 2003.
• Waller M., Królowe Anglii, tłum. E. Jaczewska, R.

tags: #w #jakim #stosunku #masowym #nale