Prepararea solutiilor de diferite concentratii 1. CONSIDERAŢII TEORETICE 1.1. DEFINIŢIE Solutia este un amestec omogen constituit din doua sau mai multe componente care formeaza o singura faza. Se numeste faza o portiune omogena dintr-un sistem despartita de celelalte parti prin suprafete sau granite, in dreptul carora are loc o variatie brusca a proprietatilor fizice. Prin componenta se intelege o anumita specie moleculara, adica o anumita substanta. Pot exista solutii gazoase, lichide si solide. Partile componente ale unei solutii sunt: -
solventul (dizolvantul) = componenta care dizolva si care se gaseste în cantitate mai mare;
-
solvatul (dizolvatul, solutul) = componenta care se dizolva si care se gaseste în cantitate mai mica.
In lucrarea practica de fata, ne vom referi la solutiile lichide bicomponente, la care solventul este un lichid in care se dizolva o singura substanta. 1.2.EXPRIMAREA CONCENTRAŢIEI SOLUŢIILOR O marime care caracterizeaza solutiile este concentratia lor, c, care exprima raportul dintre cantitatea de substanta si cea de solutie sau de solvent. Exista numeroase moduri de exprimare a concentratiei solutiilor, în functie de unitatile de masura în care se exprima cele doua componente (dizolvatul si solutia sau solventul) 1.2.1. Concentratia procentuala Concentratia procentuala indica numarul de parti de substanta dizolvata in 100 parti de solutie. Dupa cum partile sunt masurate in unitati de masa sau de volum, procentele se pot exprima in patru moduri. - procente de masa: reprezinta cantitatea de substanta dizolvata, exprimata în grame din 100 grame de solutie (ex.: o sol. NaCl 3% inseamna ca 100g solutie contin 3g de NaCl) c% m =
md ⋅ 100 ms ms = md + msolv
(1) (2 )
Unde: c % - concentratia procentuala de masa [%];
md - masa solutului [g]; ms - masa solutiei [g]; msolv. - masa solventului. - procente de volum: exprima volumul de dizolvat din 100 l de solutie. c%V =
Vd ⋅ 100 Vs
(3)
Vs = Vd + Vsolv
(4)
Unde: c%v - concentratia procentuala în procente de volum; Vd - volumul solvatului [l]; Vs - volumul solutiei [l]; Vsolv - volumul solventului [l]. Acest mod de exprimare a concentratiei se aplica cu precadere atunci când componentele solutiei sunt gaze. - procente de masa la volum: reprezinta grame de solut la 100 ml solutie (ex.: o sol. 3% g/V NaCl inseamna ca in 100ml sol. se gasesc 3g acid acetic) - procente de volum la masa : reprezinta l de solut la 100 g solutie (ex. o sol. 3%V/g de acid acetic inseamna ca in 100g de solutie se gasesc 3ml acid acetic. In laborator se utilizeaza frecvent concentratia in procente de masa, c, exprimata prin relatia: c% m =
md ⋅ 100 ms
1.2.2. Concentratia molara (molaritatea) Concentratia molara sau molaritatea unei solutii se noteaza cu cm si reprezinta numarul de molecule – gram (moli) de substanta dizolvata la un litru de solutie. Astfel, o solutie 1m are molaritatea m = 1, adica un mol de substanta este dizolvat intr-un litru de solutie. cm =
md n = V M ⋅V
unde: cm - concentratia molara (mol/l); md – masa solvatului (g)
(6)
Md - masa moleculara a solvatului (g/mol); V – volumul solutiei (l) De exemplu, pentru a calcula masa de NaOH (md) necesara obtinerii a 2L solutie 0.5m, se aplica relatia (6) si se obtine: md = c m ⋅ M ⋅ V = 0.5 ⋅ 40 ⋅ 2 = 40 g MNaOH = 23+16+1 = 40 1.2.3. Concentratia normala (normalitatea) Concentratia normala se noteaza cu cn si reprezinta numarul de echivalenti – gram de substanta dizolvata intr-un litru de solutie. Astfel, o solutie 1n are normalitatea n=1, adica 1 echivalent gram de substanta dizolvata se gaseste intr-un litru de solutie. cn =
md E d ⋅ Vs
[val/l]
(7)
unde: cn - concentratia normala, [val/l]; Ed - echivalentul gram al solutului, [g]; Vs - volumul solutiei [l]. Calculul echivalentului gram: 1.Echivalentul gram al unui element chimic este dat de raportul dintre masa atomica (A) si valenta. Ex: pentru Na
Eg =
pentru Al, 1 E g =
23 = 23 1 27 =9 3
2. Echivalentul gram al unui acid reprezinta raportul dintre masa moleculara (Macid) si numarul de atomi de hidrogen ionizabili din molecula. Ex: a) pentru H2SO4: E g = MH
SO4
M H 2 SO4 2
=
98 unde: 2
= 2 ⋅ AH + AS + 4 ⋅ AO = 2 ⋅ 1 + 32 + 4 ⋅ 16 = 98
b) pentru CH3COOH: E g =
M CH 3COOH 1
=
60 = 60 unde: 1
M CH 3COOH = 2 ⋅ AC + 2 ⋅ AO + 4 ⋅ AH = 2 ⋅ 12 + 2 ⋅ 16 + 4 ⋅ 1 = 60 Se observa ca in cazul CH3COOH s-a luat in calcul un atom de hidrogen, cel provenit de la grupa carboxilica. 3. Echivalentul gram al unei baze reprezinta raportul dintre masa moleculara (Mbaza) si numarul de grupe OH din molecula respectiva. Ex: pentru Fe(OH)3, E g =
M Fe ( OH ) 3 3
=
106 = 35.61 3
M Fe ( OH ) 3 = AFe + 3 ⋅ ( AO + AH ) = 55.84 + 3 ⋅16 + 3 ⋅1 = 106 4. Echivalentul gram pentru o sare reprezinta raportul dintre masa moleculara (Msare) si numarul atomilor de metal din molecula inmultit cu valenta metalului. Ex: pentru Al2(SO4)3: E g =
M Al2 ( SO 4 )3 2⋅3
=
342 = 57 6
M Al2 ( SO 4 ) 3 = 2 ⋅ 27 + 3 ⋅ 32 + 12 ⋅ 16 = 342
1.2.4. Concentratia molala (molalitatea) Este definita ca fiind moli de solut la 1000 grame de solvent.
a=
md ⋅ 1000 M d ⋅ m solv
(8)
unde: a - concentratia molala, [moli/ 1000 g solvent]; Md - masa molara a solutului, [g]; md - masa solutului, [g]. 1.2.5. Fractia molara În cazul unei solutii compusa din na moli de substanta a, nb moli din substanta b, nc moli din substanta c etc., se defineste fractia molara a substantei a: Xa =
na n a + nb + nc + ...
(9)
Suma fractiilor molare ale tuturor componentelor solutiilor este egala cu unitatea:
Xa + Xb + Xc =1 1.2.6. Titrul solutiei Titrul unei solutii se noteaza cu T si reprezinta cantitatea de substanta, exprima in grame, continuta intr-un mililitru de solutie. T=
md Vs
[g/ml]
(10)
unde: T - titrul solutiei, [g/ml]; md - masa de substanta dizolvata, [g]; Vs - volumul solutiei, [ml]. De exemplu, titrul unei solutii 0.1m NaCl este: T = 0.1 ⋅ 58.5 ⋅ 10 −3 = 0.00585 g / ml Cel mai uzual mod de exprimare a concentratiei solutiilor utilizat in laboratorul de chimie generala este: concentratia procentuala, molara si normala. Solutiile procentuale se prepara in pahare Berzelius. Pentru a obtine 100g solutie NaCl 4% intr-un pahar Berzelius a carui greutate este stabilita, se cantaresc la balanta tehnica 4g NaCl si 96 g apa. Solutiile molare si normale se prepara in baloane cotate. Pentru a obtine 1000 ml sol. NaOH 0.1n se cantareste la balanta analitica o cantitate de 4g NaOH, se introduce intr-un balon cotat de 1000 ml si se dilueaza cu apa distilata pana la semnul de pe gatul balonului. 2. PARTEA EXPERIMENTALĂ Se vor prepara solutii pornind de la: - NaCl sub forma de sare - solutii de o anumita concentratie de H2SO4 si HCl. Aparatura si reactivi: balanta farmaceutica, cilindri gradati, baloane cotate, apa distilata, sare NaCl, solutii de H2SO4 si HCl de concentratie cunoscuta. 2.1. Prepararea solutiei de NaCl din NaCl solid Se vor prepara doua solutii apoase de NaCl: a) solutia nr. 1 – de concentratie c% si volum V1; b) solutia nr.2 – de concentratie cm, si volum V2.
a) În vederea obtinerii volumului de solutie nr. 1 de NaCl, de concentratie procentuala indicata de catre cadrul didactic, se calculeaza masa de NaCl solida necesara (md), conform relatiei (1). Volumul solutiei (Vs) care se prepara va fi indicat de catre cadrul didactic. Masa solutiei (ms) se calculeaza cunoscând densitatea ρ a solutiei respective (Anexa) utilizand relatia: ρ = m / V . Masa apei distilate (mapa) necesara dizolvarii NaCl solid se calculeaza cu relatia (2) iar volumul de apa corespunzator acestei mase se obtine admitând ca ρapa= 1 g/cm3 la 20˚C. Masa de NaCl se cântareste la balanta analitica si se introduce într-un balon cotat de capacitate adecvata. Volumul de apa distilata se masoara cu un cilindru gradat si se adauga peste NaCl solid. Se agita solutia pâna la dizolvarea completa a NaCl solid. Sare
Concentratie %
Vs , ml
ρ (g/cm3)
md, g
ms, g
mH2O, g
NaCl NaNO3
b) În vederea obtinerii volumului de solutie nr. 2 de NaCl, de concentratie molara indicata de catre cadrul didactic, se calculeaza masa de NaCl solida necesara, conform relatiei (6). Se cantareste masa de NaCl la balanta analitica, se introduce in balonul cotat (de 100 sau de 250 mL) si se completeaza pana la semn cu apa distilata.
Sare NaCl NaNO3
M, g/mol
Concentratie m
Vs , ml
md, g
2.2. Modificarea concentratiei solutiei Se vor prepara doua solutii apoase de HCl si H2SO4 pornind de la solutii stoc de concentratie cunoscuta: a) Solutia nr. 3: HCl de concentratie cm si volum V3 b) Solutia nr. 4: H2SO4 de concentratie cm si volum V4 În vederea obtinerii volumului de solutie nr. 3 de HCl, de concentratie molara indicata de catre cadrul didactic, se calculeaza, conform relatiei (6), numarul de moli de HCl (n) care sunt necesari pentru prepararea volumului de solutie (Vs) indicat de catre cadrul didactic. Se aplica din nou relatia (6), de data aceasta pentru calculul volumului de solutie HCl 0.1M care trebuie masurat pentru prepararea solutiei finale. Volumul astfel calculat, se masoara cu cilindrul gradat, se introduce in balonul cotat si se aduce la semn cu apa distilata. Alta metoda:
c1V1 = c2V2
(11)
unde: c1 - concentratia cunoscuta a solutiei stoc V1 – volumul solutiei care trebuie extras din solutia stoc c2 – concentratia solutiei care trebuie preparata V2 – volumul solutiei care se prepara Din relatia (11) se calculeaza V1, se introduc in balonul cotat si se aduce la semn cu apa distilata. In acelasi mod se procedeaza si in cazul prepararii solutiei de H2SO4
ANEXA 1 Dependenta între concentratia procentuala, în g/l si densitatea relativa la 20°C a solutiilor de NaCl C
C [g/l]
ρ [g/cm3]
C [%m]
C [g/l]
ρ [g/cm3]
[%m] 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
10,072 15, 181 20,290 25,471 30,651 35,905 41,160 46,526 51,891 57,256 62,622 68,136 73,651 79,165 84,679
1,0072 1,0108 1,0145 1,0181 1,0217 1,0254 1,0290 1,0328 1,0366 1,0403 1,0440 1,0476 1,0513 1,0549 1,0585
8,5 9,0 9,5 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0 15,0 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0
90,34 96,00 101,67 107,33 119,21 131,09 142,97 154,85 166,72 179,42 192,12 204,82 217,52 230,22
1,0622 1,0659 1,0696 1,0733 1,0809 1,0886 1,0962 1,1039 1,1115 1,1194 1,1273 1,1352 1,1430 1,1511
Raspundeti la urmatoarele întrebari: 1. Care sunt partile componente ale unei solutii?
2. Ce exprima concentratia unei solutii? 3. Ce reprezinta concentratia procentuala de masa? 4. Ce reprezinta molaritatea unei solutii ? 5. Ce reprezinta normalitatea unei solutii ?
Aplicatii numerice: 1. Care este cantitatea de iod conţinută în 60 ml soluţie apoasă iodată 0,045%. 2. Să se afle câtă substanţă activă se află într-un flacon de 20 ml “Gentamicin a.u.v.“ (gentamicina sulfat conţinută este de 8%). 3. Să se afle câtă substanţă activă se află în 120 g de “"eomicină“ 20% pulbere. 4. Ce concentraţie procentuala are o soluţie eterată de Iodoform care în 800 ml conţine 40 g substanţă dizolvată? 5. Să se afle concentraţia unei soluţii de “Cloramină B” care în 2 litri (2000ml) conţine 20 g Cloramină. 6. Ce cantitati de CuSO4 · 10 H2O sunt necesare pentru a prepara : 250 mL solutie 2m; 500 mL solutie 1n. 7. Cati mililitri solutie 0,1 n se pot obtine din 2,5 g H2SO4; 1,5 g HCl si 0,85 g AgNO3? 8. Ce cantitate de NaCl se gasesc in : 250 mL solutie 0,3 m; 150 mL solutie 2 n; 100 mL solutie 0,05 n.
