Моль, число Авогадро, миллимоль, миллиграмм-эквивалент (мг-экв/л),
нормальность раствора, природная вода, как раствор солей и анализ его
состава методом титрования
Химиками для обозначения количества вещества принята
специальная единица измерения, называемая молем. Удобство использования
моля в том, что он всегда означает одинаковое количество вещества по числу
атомов или молекул, независимо от массы самих частиц. (Ниже изложены и
некоторые теоретические положения, связанные с понятием моль и важная в
практическом плане информация. Тот, кто не хочет вникать в теорию, может её
перескочить).
Моль - количество вещества, содержащее столько молекул, либо атомов,
либо ионов, либо других структурных единиц из которых это вещество состоит,
сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода
12С. В 12 г этого изотопа
содержится 6.0221367×1023 атомов.
Один моль вещества, состоящего из молекул, включает в себя
6.0221367×1023 молекул, если вещество
имеет атомарное строение (например какой-либо металл), то один моль такого
вещества будет включать в себя
6.0221367×1023 атомов. При
растворении соли в воде молекулы
диссоциируют на ионы и все будет выглядеть уже чуть сложнее: один моль
растворенной соли, скажем, хлорида кальция
(CaCl2) даст один моль ионов кальция
(Ca2+) и два моля ионов хлора (Cl-),
то есть 12.0442734×1023 ионов, ведь
одна молекула хлорида кальция растворившись даст два иона хлора.
6.0221367×1023 это
особое число структурных единиц вещества (атомов, молекул,
ионов) используемое для измерения количества вещества в молях. Оно называется
числом Авогадро, в честь итальянского физика Амедео Авогадро.
Теперь выясним какова масса одного моля вещества, или мольная масса?
В настоящее время принята единая шкала относительных атомных масс.
Атомной единицей массы (а.е.м.) является 1/12 массы атома
углерода. В а.е.м. указана масса элементов в таблице
Менделеева. Относительной молекулярной массой (сокращенно молекулярной
массой) простого или сложного вещества называют отношение массы его молекулы
к 1/12 части атома 12С. На практике,
поскольку масса любой молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов,
молекулярная масса, рассчитывается как сумма атомных масс этих атомов.
Известно, что а.е.м. равна 1.66×10-24 г.
Отсюда можно подсчитать какова же масса моля кого-либо вещества в граммах.
Для этого надо число Авогадро умножить на численное значение а.е.м. в граммах
и на молекулярную массу этого вещества, либо на массу той элементарной
единицы, из которых данное вещество состоит
(обозначим эту величину N а.е.м.):
1.66×10-24 ×
6.0221367×1023 × N а.е.м. = 0.999674576 × N а.е.м.
По сути дела получается, причем не только из этих расчетов, но и исходя из
всех приведенных выше определений*, что
мольная масса =1×N а.е.м., то есть
мольная масса вещества выраженная в граммах, имеет то же численное значение,
что и его относительная молекулярная (атомная) масса. Проще говоря,
масса моля - это количество граммов вещества, численно равное его
молекулярной (атомной) массе.
Если количество вещества можно выразить в молях, то и концентрацию тоже
можно. Концентрация, представленная как количество вещества на единицу
объема - моль/дм3 (моль/л), называется
молярной. В науках об окружающей среде такой способ выражения концентрации
вещества используется очень часто.
В пресных водах концентрации растворенных веществ относительно невелики,
поэтому имеет смысл применять единицу измерения количества вещества в 1000
раз меньшую чем моль. Эта единица называется миллимоль, сокращенно пишется
как "ммоль/л", "мМ/л". В случае очень низких концентраций используется
величина в 1000000 раз меньшая моля: "мкмоль/л", или "мкМ/л".
Природные воды всегда содержат растворенные минеральные соли, которые
диссоциированы на ионы: катионы (заряжены положительно) и анионы (заряжены
отрицательно). Например, следующие обычные для природных вод соли растворяясь
дают следующие ионы:
Гидрокарбонат кальция
Са(НСО3)2
диссоциирует на катион Са2+( а.е.м. = 40, соответственно масса
1 моля ионов кальция = 40 г) и два аниона НСО3-
(молекулярная масса 61, один моль ионов гидрокарбоната имеет массу 61 г);
Хлорид натрия NaCl диссоциирует на катион Na+
(а.е.м. = 23, масса одного моля = 23 г) и анион Cl-
(а.е.м. = 35.5, один моль хлорид-ионов имеет массу 35.5 г);
Сульфат магния MgSO4
диссоциирует на катион Mg2+ (а.е.м. = 24, масса одного моля = 24 г)
и анион SO42-
(молекулярная масса сульфат-иона 96, один моль имеет массу 96 г);
Нитрат калия KNO3
диссоциирует на катион K+ (а.е.м. = 39, масса одного моля = 39 г)
и анион NO3-
(молекулярная масса нитрат-иона 62, масса одного моля 62 г).
После растворения соли присутствуют в воде только в виде анионов и катионов.
Наличие заряженных частиц придает воде свойство
электропроводности.
Сам раствор остается электронейтральным, в нем сохраняется
суммарное равенство отрицательных и положительных зарядов. При этом число и масса
анионов и катионов могут быть не равными друг другу, ведь они различаются по
молекулярной массе и заряду (валентности).
Чтобы записать это равенство, необходимо все привести так сказать к "общему
знаменателю", а именно, найти способ выразить
одинаковое количество вещества по числу зарядов, иными
словами, измерить концентрацию различных ионов в единицах, которые бы
учитывали и их молекулярную массу и электрический заряд. Такой единицей
является грамм-эквивалент на литр раствора (г-экв/л), или
частное от деления массы 1 моля какого-либо иона на величину электрического
заряда (валентности) данного иона.
Например, грамм-эквивалент иона кальция (Са2+) рассчитывают так:
40:2=20 г/л, гидрокарбонатного иона
(НСО3-) -
61:1=61 г/л. Можно рассчитать грамм-эквивалент молекулы гидрокарбоната
кальция в целом. Эквивалентная масса** соли равна ее
мольной массе, деленной на сумму валентностей всех атомов металла, входящих
в данную соль. В гидрокарбонат кальция входит один атом металла (кальция),
валентность которого равна двум, поэтому: (40+2×61):2=81 г/л.
Вообще-то эквивалентная масса соли всегда равна сумме численных величин
массы грамм-эквивалентов тех ионов, на которые диссоциирует данная соль, в
нашем случае: (20+61=81).
Раствор называют нормальным, если в одном его литре
содержится один грамм-эквивалент растворенного вещества. Тогда концентрацию
записывают как "1н раствор". Часто используют 0.01н и 0.05н концентрации
растворов.
Выражение концентрации в г-экв/л - очень удобно при выполнении анализа пробы
воды по той причине, что вещества взаимодействуют друг с другом в
количествах, пропорциональных массе их эквивалентов. Причем эквивалент
одного вещества без остатка реагирует с эквивалентом другого.
"ЭКВИВАЛЕНТНЫЙ" - в переводе означает "РАВНОЦЕННЫЙ". На этом принципе
основаны методы количественного анализа с помощью титрования растворами,
нормальность которых (концентрация в г-экв/л) заранее известна. Титрование
по расходу таких растворов позволяет определить сколько же эквивалентов
определяемого вещества вступило в реакцию. Умножив эту величину на массу
эквивалента определяемого вещества можно узнать его концентрацию в воде.
В частности, таковыми методами являются многие продаваемые в зоомагазинах
капельные тесты, а также описанные на нашем сайте тесты для определения общей
и карбонатной жесткости воды, которые вполне можно научиться делать
самостоятельно!!!
В аквариумистике и водоочистке часто используют величину в 1000 раз меньшую
грамм-эквивалента. Эта величина называется миллиграмм-эквивалент (мг-экв/л).
Она больше всего подходит для выражения тех невысоких концентраций
растворенных солей, которые характерны для пресных вод.
Важное преимущество представления содержания в воде растворенных веществ в
мг-экв/л состоит в том, что оно позволяет быстро проверять точность
лабораторного анализа пробы воды. Рассмотрим в качестве примера результаты
анализа состава воды двух рек - Невы и Оби, приведенные следующей таблице:
Суммарные концентрации, выраженные в мг-экв/л для катионов и анионов
должны совпадать или же быть близкими (иначе принцип электронейтральности
раствора будет нарушен), если этого нет, значит анализ проведен некорректно.
Так, в приведенной выше таблице для реки Невы, суммарное содержание катионов
составляет 0.69 мг-экв/л, а анионов 0.60 мг-экв/л. Это хорошее соответствие
для подобных анализов, но, возможно, какие-то анионы (ведь именно их меньше!)
не были определены, или концентрации тех, что приведены в таблице установлены
не совсем точно. С другой стороны, возможно, несколько завышено количество
катионов, а с анионами все в порядке. В любом случае, результаты такого
анализа - повод для раздумий. Но в примере с Обью, суммы концентраций анионов
и катионов совпадают идеально - это точный анализ. Вот почему очень неудобно
определение жесткости воды в градусах (немецких, французских, американских,
английских), чтобы хоть что-то можно было сравнивать - все приходиться
пересчитывать. Впрочем жесткость воды - другая история.
В. Ковалёв, кандидат биологических наук.
Несколько слов в оправдание автора:
Зачем на развлекательном по своей
сути сайте размещать подобные не слишком легкие
для чтения тексты, к тому же не совсем точно (чтобы их все же можно
было читать) списанные с учебников?
Если бы можно было без всего этого обойтись, то всем (и бедным рыбкам тоже)
было бы жить легче. Но увы! В аквариумистике без знаний основ гидрохимии -
никуда. 90% рыбьих невзгод связано именно с неблагоприятными условиями
жизни в аквариумах, где этим бедолагам угораздило оказаться. Надеяться, что
дорогое и "умное" оборудование за вас все сделает категорически нельзя!
Я это ясно осознал, как только заработал наш форум. Подчас
объяснить человеку в двух словах, что именно у него плохо в аквариуме ну
никак не выходит. Для начала ему бы не мешало прочитать эту да и другие
странички по аквариумной гидрохимии. Вот я и взялся их писать, хотя конечно
же рассказывать о рыбках куда увлекательнее.
К началу статьи.
* Я не обладаю большими способностями к абстрактному мышлению и потому мне
не показалось, что это очевидным образом следует и из приведенных
определений (а именно так пишут в большинстве учебников), поэтому просто
взял и посчитал - все вышло как надо, ну и слава Богу!
Вернуться к тексту
** Эквивалентная масса кислоты равна ее мольной массе, деленной на
основность (количество атомов водорода) кислоты. Эквивалентная масса
основания равна его мольной массе, деленной на валентность металла,
образующего основание. Надо было привести и эти определения
- мало ли кому понадобятся?
Вернуться к тексту
Аквариум. Современная Аквариумистика.
Правообладатель: Живая Вода®
Любые способы полного
или частичного копирования и публикации данного текста и
иллюстраций без письменного разрешения администрации
интернет-ресурса vitawater.ru запрещены.
