С растворами разных веществ мы встречаемся каждый день. Но вряд ли каждый из нас представляет, насколько большую роль играют эти системы. Многое в их поведении стало ясно сегодня благодаря детальному изучению в течение тысячелетий. За всё это время были введены многие термины, непонятные простому человеку. Один из них - нормальность раствора. Что это такое? Об этом и пойдёт речь в нашей статье. А начнём мы с погружения в прошлое.
История исследований
Первыми яркими умами, начавшими изучение растворов, были такие известные химики, как Аррениус, Вант-Гофф и Оствальд. Под влиянием их работ последующие поколения химиков стали углубляться в исследование водных и разбавленных растворов. Конечно, они накопили огромный массив знаний, но без внимания остались неводные растворы, которые, кстати, также играют большую роль как в промышленности, так и в других сферах человеческой жизнедеятельности.
В теории неводных растворов было много непонятного. Например, если в водных с увеличением степени диссоциации увеличивалось значение проводимости, то в аналогичных системах, но с другим растворителем вместо воды, было всё наоборот. Маленькие значения электрической проводимости часто соответствуют высоким степеням диссоциации. Аномалии подстегнули учёных к исследованию этой области химии. Был накоплен большой массив данных, обработка которых позволила найти закономерности, дополняющие теорию электролитической диссоциации. Помимо этого, удалось расширить знания об электролизе и о природе комплексных ионов органических и неорганических соединений.
Затем активнее начали проводиться исследования в области концентрированных растворов. Такие системы существенно отличаются по свойствам от разбавленных из-за того, что при повышении концентрации растворённого вещества всё большую роль начинает играть его взаимодействие с растворителем. Подробнее об этом - в следующем разделе.
Теория
На данный момент лучше всех объясняет поведение ионов, молекул и атомов в растворе только теория электролитической диссоциации. С момента своего создания Сванте Аррениусом в XIX веке, она претерпела некоторые изменения. Были открыты некоторые законы (такие, как закон разбавления Оствальда), которые несколько не вписывались в классическую теорию. Но, благодаря последующим работам учёных, в теорию были внесены поправки, и в современном виде она существует до сих пор и с высокой точностью описывает результаты, получаемые опытными путями.
Основная суть электролитической теории диссоциации в том, что вещество при растворении распадается на составляющие её ионы - частицы, имеющие заряд. В зависимости от способности раскладываться (диссоциировать) на части, различают сильные и слабые электролиты. Сильные, как правило, полностью диссоциируют на ионы в растворе, тогда как слабые - в очень малой степени.
Эти частицы, на которые распадается молекула, могут взаимодействовать с растворителем. Это явление назвается сольватацией. Но происходит оно не всегда, поскольку обусловлено наличием заряда на ионе и молекулах растворителя. Например, молекула воды представляет собой диполь, то есть частицу, заряженную с одной стороны положительно, а с другой - отрицательно. А ионы, на которые распадется электролит, тоже имеют заряд. Таким образом, эти частицы притягиваются разноимённо заряженными сторонами. Но происходит это только с полярными растворителями (таковым является и вода). Например, в растворе какого-либо вещества в гексане сольватации происходить не будет.
Для изучения растворов очень часто необходимо знать количество растворённого вещества. В формулы иногда очень неудобно подставлять некоторые величины. Поэтому существует несколько видов концентраций, среди которых - нормальность раствора. Сейчас мы расскажем подробно обо всех способах выражения содержания вещества в растворе и методах его вычисления.
Концентрация раствора
В химии применяется множество формул, и некоторые из них построены так, что удобнее взять величину в том или ином конкретном виде.
Первая, и самая знакомая нам, форма выражения концентрации - массовая доля. Вычисляется она очень просто. Нам всего лишь нужно разделить массу вещества в растворе на его общую массу. Таким образом мы получаем ответ в долях единицы. Умножив полученное число на сто, получим ответ в процентах.
Немного менее известная форма - объёмная доля. Чаще всего её используют для выражения концентрации спирта в алкогольных напитках. Вычисляется она тоже довольно просто: делим объём растворённого вещества на объём всего раствора. Так же как и в предыдущем случае, можно получить ответ в процентах. На этикетках часто обозначают: "40% об.", что означает: 40 объёмных процентов.
В химии часто используют и другие виды концентрации. Но перед тем, как к ним перейти, поговорим о том, что такое моль вещества. Количество вещества может выражаться разными способами: масса, объём. Но ведь молекулы каждого вещества имеют свой вес, и по массе образца невозможно понять, сколько в нём молекул, а это необходимо для понимания количественной составляющей химических превращений. Для этого была введена такая величина, как моль вещества. Фактически один моль - это определённое количество молекул: 6,02*1023. Это называется числом Авогадро. Чаще всего такая единица, как моль вещества, используется для вычисления количества продуктов какой-либо реакции. В связи с этим существует ещё одна форма выражения концентрации - молярность. Это количество вещества в единице объёма. Молярность выражается в моль/л (читается: моль на литр).
Существует очень похожий на предыдущий вид выражения содержания вещества в системе: моляльность. Отличается от молярности она тем, что определяет количество вещества не в единице объёма, а в единице массы. И выражается в молях на килограмм (или другую кратную величину, например на грамм).
Вот мы и подошли к последней форме, которую сейчас обсудим отдельно, так как её описание требует немного теоретической информации.
Нормальность раствора
Что же это такое? И чем отличается от предыдущих величин? Для начала следует понять разность между такими понятиями, как нормальность и молярность растворов. По сути, отличаются они лишь на одну величину - число эквивалентности. Теперь можно даже представить, что такое нормальность раствора. Это всего лишь модифицированная молярность. Число эквивалетности показывает количество частиц, способных провзаимодействовать с одним молем ионов водорода или гидроксид-ионов.
Мы познакомились с тем, что такое нормальность раствора. Но ведь стоит копнуть глубже, и мы увидим, насколько проста эта, на первый взгляд сложная форма описания концентрации. Итак, разберём поподробнее, что такое нормальность раствора.
Формула
Довольно легко представить себе формулу по словесному описанию. Она будет выглядеть так: Сн=z*n/N. Здесь z - фактор эквивалентности, n - количество вещества, V - объём раствора. Первая величина - самая интересная. Как раз она и показывает эквивалент вещества, то есть число реальных или мнимых частиц, способных прореагировать с одной минимальной частицей другого вещества. Этим, собственно, нормальность раствора, формула которой была представлена выше, качественно отличается от молярности.
А теперь перейдём к другой немаловажной части: как определить нормальность раствора. Это, несомненно, важный вопрос, поэтому к его изучению стоит подойти с пониманием каждой величины, указанной в уравнении, представленном выше.
Как найти нормальность раствора?
Формула, которую мы разобрали выше, имеет чисто прикладной характер. Все величины, приведённые в ней, легко вычисляются на практике. На самом деле вычислить нормальность раствора очень легко, зная некоторые величины: массу растворённого вещества, его формулу и объём раствора. Так как нам известна формула молекул вещества, то мы можем найти его молекулярную массу. Отношение массы навески растворённого вещества к его молярной массе будет равно числу моль вещества. А зная объём всего раствора, мы точно можем сказать, какая у нас молярная концентрация.
Следующая операция, которую нам нужно провести для того, чтобы вычислить нормальность раствора - это действие по нахождению фактора эквивалентности. Для этого нам нужно понять, сколько в результате диссоциации образуется частиц, способных присоединить протоны или ионы гидроксила. Например, в серной кислоте фактор эквивалетности равен 2, и, следовательно, нормальность раствора в этом случае вычисляется простым умножением на 2 его молярности.
Применение
В химической аналитике очень часто приходится расчитывать нормальность и молярность растворов. Это очень удобно для вычиления молекулярных формул веществ.
Что ещё почитать?
Чтобы лучше понять, что такое нормальность раствора, лучше всего открыть учебник по общей химии. А если вы уже знаете всю эту информацию, вам стоит обратиться к учебнику по аналитической химии для студентов химических специальностей.
Заключение
Благодаря статье, думаем, вы поняли, что нормальность раствора - это форма выражения концентрации вещества, которой пользуются в основном в химическом анализе. И теперь ни для кого не секрет, как она вычисляется.
