1.3.6   Reakcje chemiczne w roztworach

Wiele reakcji chemicznych przebiega w roztworach. W rozdziale Chemia roztworów (VI) scharakteryzowano właściwości roztworów oraz podano definicje stężeń. Oto definicje stężeń roztworów potrzebnych do rozwiązania zadań umieszczonych na końcu rozdziału.

Stężenie procentowe (w procentach masowych) - podaje liczbę jednostek masowych substancji zawartych w 100 jednostkach masowych roztworu.

(2.01)                         

  - masa substancji rozpuszczonej, [g], [kg],

- masa roztworu, [g], [kg],

- masa rozpuszczalnika, [g], [kg].

 Stężenie procentowe objętościowe - podaje liczbę jednostek objętości substancji rozpuszczonej, zawartej w 100 jednostkach objętości roztworu.

 (2.02)                         

   - objętość substancji rozpuszczonej, ,

- objętość roztworu, ,

- objętość rozpuszczalnika, .

Stężenie molowe - określa liczbę moli substancji rozpuszczonej, zawartej w 1 dm³ roztworu. Na przykład 0,5 molowy roztwór zawiera 0,5 mola substancji rozpuszczonej w 1 dm³ roztworu.

 (2.03)                         

  - liczba moli substancji rozpuszczonej, [mol],

- masa substancji rozpuszczonej, [g],

 - masa molowa substancji rozpuszczonej, [g/mol].

W tej części podręcznika wykorzystamy stężenia roztworów do obliczeń związanych z przebiegiem reakcji chemicznych. Rozwiązanie tych zadań polega na ogół na wykorzystaniu informacji zawartych w danych o stężeniach reagentów i przekształceniu zadania w problem stechiometryczny rozwiązywany najczęściej w oparciu o przebieg reakcji chemicznej.

Przykład 14. Ile gramów wapna palonego potrzeba do neutralizacji 10 kg 15% roztworu kwasu siarkowego(VI)?

Rozwiązanie

Ilość czystego kwasu siarkowego(VI) można wyliczyć z proporcji

Z treści zadania wynika reakcja zachodząca między wapnem palonym czyli tlenkiem wapnia i kwasem siarkowym

Po obliczeniu mas molowych można zapisać

Odpowiedź

Do reakcji potrzeba 0,86 kg wapna palonego.

Przykład 15. Jaka objętość dwutlenku węgla, zmierzona w warunkach normalnych, potrzebna jest do otrzymania 1,00 kg roztworu zawierającego 10,7% węglanu potasu.

Rozwiązanie

Potrzebną ilość węglanu potasu można wyliczyć z proporcji

Dwutlenek węgla reaguje z wodorotlenkiem potasu według reakcji

Po określeniu stosunków molowych reagentów można zapisać

Odpowiedź

Do reakcji potrzeba 30,7 dm³ dwutlenku wegla.

Przykład 16. Określić molowe i procentowe stężenie roztworu kwasu ortofosforowego(V), jeśli 25,0 cm³ tego roztworu rozcieńczono do 500,0 cm³, a następnie na zmiareczkowanie 20,0 cm³  rozcieńczonego kwasu zużyto 11,3 cm³ 0,1000 molowej zasady sodowej. Gęstość roztworu kwasu przed rozcieńczeniem wynosiła 1,020 g/cm³.

Rozwiązanie:

Do reakcji zobojętniania zużyto 11,4 cm³ 0,1000 molowej zasady sodowej. Pozwala to określić ilość moli NaOH w roztworze.

Na podstawie reakcji

wiadomo, że 3 mole wodorotlenku sodu reaguje z 1 molem kwasu, co pozwala obliczyć ilość moli kwasu biorących udział w reakcji

Znając liczbę moli kwasu i jego objętość  można wyliczyć ilość moli w 1 dm³ roztworu czyli stężenie molowe kwasu

Stężenie rozcieńczonego roztworu kwasu wyniosło 0,019 mol/dm³.

Przed analizą miareczkową kwas został krotnie rozcieńczony. Oznacza to, że początkowe stężenie kwasu wynosiło 20*0,019 =0,38 mol/dm³.

Aby obliczyć stężenie procentowe trzeba znać masę czystego składnika i masę roztworu. Biorąc pod uwagę dowolną objętość roztworu o znanym stężeniu molowym i gęstości można wyliczyć obydwa parametry. Najprościej wziąć 1 dm³. Zawiera on 0,38 mola , a masę można wyliczyć znając objętość i gęstość roztworu ze wzoru 

masa czystego składnika  = 0,38 mola = 0,38mola * 98 g/mol = 37,24 g

masa roztworu m = 1000 cm³*1,020 g*cm^-3 = 1020 g

Odpowiedź:

Stężenie molowe i procentowe stężenie roztworu kwasu ortofosforowego(V), wynoszą odpowiednio 0,38 mol/dm³, oraz 3,65%

Przykład 17. Do reakcji oznaczania stężenia chlorku sodu w roztworze o objętości 25,0 cm³ zużyto 15,4 cm³  0,1000 molowego roztworu . Określić molowe stężenie roztworu chlorku sodu.

Rozwiązanie:

Na podstawie reakcji

wiadomo, że azotan(V) potasu i chlorek sodu reagują w stosunkach molowych 1:1. Oznacza to, że ilość moli reagentów wchodzących w reakcję są sobie równe. Jeśli określimy ilość moli azotanu(V) srebra zawartych w 15,4 cm³  0,1 molowego roztworu, to jednocześnie będziemy znali ilość moli chlorku sodu zawartą w 25,0 cm³  roztworu. Ilość moli w 15,4 cm³ 0,1 molowego roztworu azotanu srebra wynosi:

Ta ilość moli chlorku sodu zawarta jest w 25 cm³ roztworu. Jeśli określimy ilość moli chlorku sodu w 1 dm³ roztworu

to jednocześnie określimy stężenie molowe, które wynosi 0,0616 mol/dm³.

Odpowiedź:

Stężenie molowe chlorku sodu wynosi 0,0616 mol/dm³.