Stężenie — molarność, molalność i rozcieńczanie

Stężenie w chemii mówi, ile substancji rozpuszczonej znajduje się w odniesieniu do wybranej ilości roztworu lub rozpuszczalnika. Formy, których uczniowie potrzebują najczęściej, to molarność, molalność oraz zależność rozcieńczania dla molarności.

Szybkie rozróżnienie jest proste: molarność używa litrów roztworu, a molalność kilogramów rozpuszczalnika. Jeśli dobrze pilnujesz tego mianownika, większość zadań o stężeniu staje się znacznie łatwiejsza.

Co oznacza stężenie w chemii

Jeśli jeden roztwór jest bardziej stężony niż drugi, zawiera więcej substancji rozpuszczonej dla tej samej ilości odniesienia. Ta ilość odniesienia ma znaczenie.

• Molarność porównuje ilość substancji rozpuszczonej do całkowitej objętości roztworu.
• Molalność porównuje ilość substancji rozpuszczonej tylko do masy rozpuszczalnika.

Dlatego „stężenie” to szerokie pojęcie, a nie jeden wzór.

Molarność: mole na litr roztworu

Molarność zapisuje się jako $M$ i definiuje wzorem

$$M = \frac{n}{V}$$

gdzie $n$ to liczba moli substancji rozpuszczonej, a $V$ to końcowa objętość roztworu w litrach.

Roztwór o stężeniu $0.50\ \mathrm{M}$ zawiera $0.50$ mola substancji rozpuszczonej w jednym litrze roztworu. Wyrażenie „roztworu” ma znaczenie. Jeśli rozpuścisz substancję, a następnie dopełnisz kolbę do $1.00\ \mathrm{L}$, to właśnie tę końcową objętość $1.00\ \mathrm{L}$ należy wykorzystać.

Ponieważ molarność zależy od objętości, może się zmieniać, jeśli temperatura zmieni się na tyle, by zauważalnie zmienić objętość roztworu.

Molalność: mole na kilogram rozpuszczalnika

Molalność zapisuje się jako $m$ i definiuje wzorem

$$m = \frac{n}{m_{\mathrm{solvent}}}$$

gdzie $n$ to liczba moli substancji rozpuszczonej, a $m_{\mathrm{solvent}}$ to masa rozpuszczalnika w kilogramach.

Tutaj punktem odniesienia jest sam rozpuszczalnik, a nie cały roztwór. Jeśli rozpuścisz $0.50$ mola substancji w $1.00\ \mathrm{kg}$ wody, molalność wynosi $0.50\ m$.

Ponieważ molalność opiera się na masie, jest często bardziej użyteczna wtedy, gdy zmiany temperatury sprawiają, że pomiary oparte na objętości są mniej wygodne.

Molarność a molalność: różnica, która ma znaczenie

Uczniowie często pamiętają wzory, ale nie pamiętają, kiedy ich używać. Praktyczny sposób rozróżnienia jest taki:

• Użyj molarności, gdy w zadaniu podano objętość roztworu lub trzeba ją wyznaczyć.
• Użyj molalności, gdy w zadaniu podano masę rozpuszczalnika lub trzeba ją wyznaczyć.

W rozcieńczonych roztworach wodnych ich wartości liczbowe mogą być zbliżone, ale nie są zdefiniowane w ten sam sposób. Nie należy ich zamieniać, chyba że zadanie podaje wystarczające informacje do poprawnego przeliczenia.

Przykład obliczeniowy: wyznacz molarność i molalność dla tej samej próbki

Załóżmy, że $0.300$ mola glukozy rozpuszczono tak, aby otrzymać $600\ \mathrm{mL}$ roztworu, a użytym rozpuszczalnikiem było $0.500\ \mathrm{kg}$ wody.

Zacznij od molarności. Zamień $600\ \mathrm{mL}$ na $0.600\ \mathrm{L}$, ponieważ molarność używa litrów roztworu:

$$M = \frac{0.300}{0.600} = 0.500\ \mathrm{M}$$

Teraz wyznacz molalność, korzystając z masy rozpuszczalnika:

$$m = \frac{0.300}{0.500} = 0.600\ m$$

Ta sama próbka ma dwie różne wartości stężenia, ponieważ każda definicja używa innego mianownika. Molarność używa $0.600\ \mathrm{L}$ roztworu, a molalność $0.500\ \mathrm{kg}$ rozpuszczalnika.

Jak działa równanie rozcieńczania

Podczas rozcieńczania dodajesz więcej rozpuszczalnika, ale ilość substancji rozpuszczonej pozostaje taka sama. Jeśli substancja rozpuszczona nie reaguje i nic jej nie ubywa, liczba moli przed i po rozcieńczeniu jest taka sama.

W zadaniach z molarnością prowadzi to do znanego równania rozcieńczania

$$M_1 V_1 = M_2 V_2$$

Działa to, ponieważ

$$n_1 = n_2$$

a dla molarności $n = MV$.

Przykład rozcieńczania

Jeśli weźmiesz $100\ \mathrm{mL}$ roztworu o stężeniu $1.50\ \mathrm{M}$ i rozcieńczysz go do $300\ \mathrm{mL}$, to

$$M_2 = \frac{M_1 V_1}{V_2} = \frac{(1.50)(100)}{300} = 0.50\ \mathrm{M}$$

Stężenie maleje, ponieważ ta sama ilość substancji rozpuszczonej jest rozprowadzona w większej końcowej objętości.

Częste błędy w zadaniach o stężeniu

Używanie masy roztworu do molalności

Molalność używa kilogramów rozpuszczalnika, a nie kilogramów roztworu.

Używanie objętości rozpuszczalnika do molarności

Molarność używa końcowej objętości całego roztworu.

Używanie $M_1 V_1 = M_2 V_2$ w niewłaściwej sytuacji

Ten skrót dotyczy rozcieńczania tej samej substancji rozpuszczonej, gdy liczba moli jest zachowana. Nie ma zastosowania, jeśli reakcja zmienia ilość substancji rozpuszczonej.

Traktowanie molarności i molalności jako pojęć zamiennych

Opisują stężenie na różne sposoby. W niektórych rozcieńczonych przypadkach liczby mogą być podobne, ale definicje nadal są różne.

Kiedy chemicy używają molarności lub molalności

Molarność jest powszechna przy przygotowywaniu roztworów w laboratorium, miareczkowaniu i obliczeniach stechiometrycznych dla roztworów, ponieważ objętości łatwo mierzyć w kolbach i pipetach.

Molalność jest szczególnie użyteczna w tematach takich jak właściwości koligatywne, gdzie miara stężenia oparta na masie jest często wygodniejsza.

Szybka kontrola przed zakończeniem

Zadaj sobie trzy pytania:

1. Czy użyłem liczby moli substancji rozpuszczonej?
2. Czy użyłem litrów roztworu dla molarności albo kilogramów rozpuszczalnika dla molalności?
3. Jeśli użyłem równania rozcieńczania, czy ilość substancji rozpuszczonej naprawdę pozostała stała?

Spróbuj własnej wersji

Zmień przykład obliczeniowy tak, aby tę samą ilość $0.300$ mola glukozy dopełnić do $1.20\ \mathrm{L}$ zamiast do $600\ \mathrm{mL}$. Oblicz ponownie molarność, a potem sprawdź, czy molalność zmienia się w tym nowym układzie. To dobry sposób, by sprawdzić, czy naprawdę rozumiesz, którego mianownika używa każda definicja.