Приготовление растворов заданной концентрации

Приготовление растворов заданной концентрации представляет собой одну из основных лабораторных операций в химии, требующую высокой точности и аккуратности. Основная задача состоит в том, чтобы получить раствор с точно известным содержанием растворённого вещества относительно массы или объёма растворителя. Для этого применяются различные способы расчёта и практические методы, основанные на строгом учёте количества вещества, плотности, молярной массы, а также физических свойств растворителя и растворённого вещества.

Способы задания концентрации

При приготовлении растворов ориентируются на несколько наиболее распространённых способов выражения концентрации:

  • массовая доля (w) — отношение массы растворённого вещества к массе всего раствора;
  • молярная концентрация (С, моль/л) — количество вещества в 1 литре раствора;
  • нормальная концентрация (N) — количество эквивалентов вещества в 1 литре раствора;
  • мольная доля — отношение числа молей растворённого вещества к общему числу молей всех компонентов системы;
  • массовая концентрация (γ, г/л) — масса растворённого вещества в 1 литре раствора.

Выбор способа зависит от целей эксперимента, точности, необходимой для последующих реакций, и требований методики.

Приготовление растворов по массе вещества

Наиболее распространённый и точный метод заключается в непосредственном взвешивании твёрдого вещества.

  1. Рассчитывают необходимую массу вещества по формуле:

m = C ⋅ V ⋅ M

где C — заданная молярная концентрация раствора, V — объём раствора, M — молярная масса вещества.

  1. Твёрдое вещество отвешивают на аналитических весах с точностью до тысячных долей грамма.

  2. Растворённое вещество переносят в мерную колбу, растворяют в небольшом объёме растворителя и доводят объём раствора до метки.

Такой подход обеспечивает получение точного раствора с известной концентрацией.

Приготовление растворов из стандартных растворов

Если требуется разведение более концентрированного раствора до определённой концентрации, используют формулу:

C1V1 = C2V2

где C1 и V1 — концентрация и объём исходного раствора, C2 и V2 — концентрация и объём требуемого раствора.

Пример: для приготовления 100 мл раствора HCl с концентрацией 0,1 моль/л из исходного раствора концентрацией 1 моль/л необходимо взять 10 мл исходного раствора и разбавить его дистиллированной водой до 100 мл.

Приготовление растворов кислот и оснований

Особое внимание уделяется технике безопасности. Концентрированные кислоты, такие как H₂SO₄, HCl, HNO₃, а также щёлочи (NaOH, KOH), требуют осторожности.

  • Концентрированную кислоту всегда приливают к воде, а не наоборот, чтобы избежать разбрызгивания.
  • Раствор щёлочи готовят путём медленного растворения твёрдого вещества в воде, при этом растворяется с выделением тепла.
  • Объём раствора доводят только после охлаждения до комнатной температуры, так как нагрев изменяет плотность и объём жидкости.

Приготовление растворов с массовой долей вещества

Массовая доля (w) выражается формулой:

$$ w = \frac{m_\text{в-ва}}{m_\text{раствора}} $$

Чтобы приготовить раствор с определённой массовой долей, рассчитывают массу растворённого вещества и массу растворителя.

Пример: необходимо приготовить 200 г 10%-го раствора NaCl. Масса вещества составит 20 г, масса воды — 180 г. Компоненты соединяют, тщательно перемешивают до полного растворения соли.

Стандартизация растворов

Приготовленные растворы, особенно используемые в аналитической химии, часто требуют точной стандартизации. Для этого применяют титрование раствора против стандартного образца (например, растворы щёлочей стандартизуют по твёрдому щавелевой кислоте или гидрату кислой калийной соли). Этот процесс позволяет уточнить реальную концентрацию, которая может немного отличаться от расчётной.

Практические приёмы и техника

  • Для точного измерения объёмов применяют мерные колбы, бюретки и пипетки.
  • Для грубых измерений используют мензурки и цилиндры.
  • Растворение твёрдых веществ проводят в стаканах или колбах с последующим переносом в мерную посуду.
  • Для летучих веществ и концентрированных кислот используют специальные вытяжные шкафы.
  • При хранении растворов применяют плотно закрытые склянки из химически стойкого стекла или полиэтилена.

Влияние температуры

Температура существенно влияет на плотность раствора и растворимость веществ. При приготовлении растворов высокой точности необходимо учитывать, что объём зависит от температуры. Стандартные условия приготовления аналитических растворов — температура около 20 °C.

Специфика приготовления разбавленных растворов

Очень разбавленные растворы, например 10⁻³–10⁻⁵ моль/л, получают последовательным разведением: сначала готовят более концентрированный раствор, затем поэтапно разбавляют до нужной концентрации. Такой метод снижает вероятность ошибок, связанных с малыми объёмами.

Оглавление