Chemisch Rekenen & Zuren en Basen
2
Concentratie in oplossingen
2.1
Concentratiebegrippen
Er zijn veel manieren om de samenstelling van een mengsel op te geven. De samenstelling van voedingsmiddelen staat op de verpakking vermeld. Daarbij wordt meestal de hoeveelheid stof in gram gegeven in 100 g of in 100 mL van het voedingsmiddel. gehalte De term gehalte wordt gebruikt om de hoeveelheid stof op te geven in een hoeveelheid mengsel. Voorbeelden zijn: het zwavelgehalte van steenkool, het zilvergehalte van een munt, het ijzergehalte van ijzererts, het zoutgehalte van pekel. De hoeveelheid van die bepaalde stof kun je uitdrukken in een aantal grootheden: gram, microgram, kilogram, milliliter, liter, aantal mol. De hoeveelheid mengsel wordt wel opgegeven in gram, 100 gram, kilogram, mL, 100 mL, liter, m3, aantal mol. Door combinatie van deze grootheden ontstaan er veel mogelijkheden om de samenstelling van een mengsel vast te leggen. Een stuk of tien daarvan kom je regelmatig tegen in de chemie. Voorbeelden Fasenleer is een onderdeel van de fysische chemie. Fasenleer behandelt het gedrag van stoffen en mengsels van stoffen bij faseveranderingen, zoals smelten en koken. molfractie x
Een handige eenheid in de fasenleer blijkt de molfractie x te zijn:
Xstof = nstof / ntot waarin: x s t o f molfractie van een stof in een mengsel n s t o f aantal mol van die stof totaal aantal mol nt o t
2.2
massaconcentratie
Massaconcentratie en molconcentratie
Het begrip concentratie wordt meestal gebruikt bij oplossingen. Oplossingen zijn mengsels van een opgeloste stof en een oplosmiddel. Van het oplosmiddel is altijd veel meer aanwezig dan van de opgeloste stof. Onder de massaconcentratie van een opgeloste stof verstaan we de massa van de opgeloste stof per liter oplossing.
massaconcentratie(stof) = m(stof) / V(tot) (in g/L) waarin: massaconc.(stof): m(stof): V(tot):
massaconcentratie stof in g/L massa van de opgeloste stof in g volume van de oplossing in L
7
Chemisch Rekenen & Zuren en Basen Er is gebleken dat het gebruik van de mol als rekeneenheid bij chemische reacties erg handig is. Om dezelfde reden werken we bij oplossingen liever met 'molconcentratie' dan met massaconcentratie. c(stof) = n(stof) / V(tot) (in mol/L) waarin: c(stof): n(stof): V(tot): molariteit
concentratie opgeloste stof in mol/L aantal mol opgeloste stof volume van de oplossing in L
Wij schrijven bijvoorbeeld c(NaCI) = 0.30 mol • L–1. In boeken wordt vrij algemeen het begrip molariteit gebruikt. Dan wordt de bovenstaande concentratie genoteerd als 0.30 M en uitgesproken als 0.30 molair. Het is geen officiële aanduiding meer. Voor het bereiden van een oplossing met bekende concentratie wegen we een bepaalde hoeveelheid stof af, lossen die op in water en vullen aan tot een bekend volume. Als we afwegen op de analytische balans en de oplossing aanvullen in een maatkolf, dan kunnen we de concentratie nauwkeurig berekenen. We moeten er dan wel zeker van zijn, dat de stof die we afwegen zeer zuiver is. Helaas is dat meestal niet het geval. Opmerkingen: -
Oplossen van vaste stof in water of mengen van een vloeistof met water, gebeurt niet in een maatkolf. Bij het oplossen of mengen kan een warmte-effect optreden. Het proces kan endotherm zijn (het mengsel wordt kouder) of exotherm (de oplossing wordt warm). Een maatkolf mag alleen bij de aangegeven temperatuur gebruikt worden. Hij wordt onbruikbaar als hij - al is het maar één keer - verwarmd of sterk afgekoeld is. De procedure is dus: oplossen in een bekerglaasje in een deel van het oplosmiddel, de oplossing - op kamertemperatuur - kwantitatief overbrengen in de maatkolf en aanvullen tot de maatstreep.
-
Exotherm en endotherm zijn termen, die bij chemische reacties vaak gebruikt worden. Exotherme reacties gaan door, als ze eenmaal op gang gebracht zijn. Voorbeeld zijn alle verbrandingen. Endotherme reacties moeten door toevoer van warmte in stand gehouden worden. Voorbeeld zijn vrijwel alle ontledingsreacties.
endotherm exotherm
Voorbeeld Er wordt 40 g glucose (MW(glucose) = 180.16 g/mol) opgelost in water. De oplossing wordt aangevuld tot 400 mL. Bereken de glucoseconcentratie in de oplossing. Gegeven:
mglucose = 40 g; Mw (glucose) = 180.16 g/mol; Vopl.= 400 mL
Gevraagd:
c(glucose) (in mol/L)
Oplosroute:
Van massa glucose naar mol glucose door te delen door de molmassa (Mw) van glucose. Van mol glucose naar concentratie door te delen door het volume (in L).
Schatting:
Er is wat minder dan een kwart mol glucose. De oplossing is wat minder dan een halve liter. De concentratie zal in de buurt van een half mol per liter liggen.
Oplossing:
n glucose = 40 g /( l80.16 g • mol–1) = 0.222 mol; c(glucose) = 0.222 mol/0.400 L = 0.55 mol/L.
Controle:
Eenheid en aantal significante cijfers kloppen. Het antwoord komt overeen met de schatting.
8
Chemisch Rekenen & Zuren en Basen
De formule c(stof) = n(stof) / V(tot) (in mol/L) kunnen we ook schrijven als n(stof) = c(stof) • V(tot) Zo kun je het aantal mol opgeloste stof berekenen uit de concentratie van die stof en het volume van de oplossing. Met de formule nstof = mstof / Mw (stof) bereken je de massa stof, die opgelost is. We kunnen nu het schema als volgt uitbreiden:
× Mw (g/mol)
(mstof)
: ρ (g/mL of g/cm3)
(nstof)
: V (L)
× NA (aantal deeltjes / mol)
(mL of cm3)
In water splitsen elektrolyten zich in ionen. Zouten en enkele zuren zijn sterke elektrolyten. Zij splitsen volledig. Voor het maken van een keukenzoutoplossing wordt NaCl opgelost in water. De oplosvergelijking luidt: NaCI(s) → Na+(aq) + CI-(aq) Dat betekent, dat er geen NaCl in oplossing aanwezig is, maar slechts gehydrateerde (aq) natriumionen en gehydrateerde chlorideionen. c(NaCI) is de hoeveelheid NaCl uitgedrukt in mol, die opgelost is per liter oplossing. analytische We concentratie
Noem dat de analytische concentratie. Die kunnen we berekenen als bekend is hoeveel keukenzout er is opgelost en welk volume de oplossing heeft. Als we 2.00 mol NaCl in water oplossen tot 1.00 L keukenzoutoplossing, dan bedraagt de analytische concentratie c(NaCI) van keukenzout 2.00 mol/L. De feitelijke concentratie aan keukenzout is echter 0.00 mol/L.
9
Chemisch Rekenen & Zuren en Basen
actuele concentratie
Daarom is er nog een andere grootheid voor concentratie gedefinieerd, de actuele concentratie: De actuele concentratie [B] van een stof B is het aantal mol stof, dat feitelijk aanwezig is per liter oplossing. Voor de bovenstaande keukenzoutoplossing geldt: [NaCl] = 0.00 mol/L; [Na+] = 2.00 mol/L; [Cl–] = 2.00 mol/L. Opmerkingen: –
Voor de analytische concentratie c(stof) en de actuele concentratie [stof] wordt dezelfde eenheid gebruikt: mol/L of mmol/mL. Er geldt: 1 mol/L = 1 mmol/mL.
–
Als we het woord concentratie gebruiken, dan bedoelen we steeds analytische concentratie c(stof). Als we actuele concentratie bedoelen, dan zullen we dat vermelden.
–
Voor het berekenen van actuele concentraties moet je: – de analytische concentratie weten van de opgeloste stof. – weten wat er tijdens en na het oplossen met de stof gebeurd is.
10
Chemisch Rekenen & Zuren en Basen
2.3
Verdunnen
Verdunnen is het toevoegen van oplosmiddel. Door toevoegen van bijvoorbeeld water, verandert een geconcentreerde keukenzoutoplossing in een verdunde oplossing. We kunnen het ook zo zeggen: Bij verdunnen wordt de concentratie van de opgeloste stoffen kleiner. De hoeveelheid stof die verdund wordt, verandert door het verdunnen echter niet. Bij verdunnen geldt: aantal mol vóór verdunnen = aantal mol na verdunnen Vvoor • cvoor = Vna • cna Waarin Vvoor en Vna cvoor en cna
volume vóór en na verdunnen concentratie vóór en na verdunnen
Voorbeeld 250 mL keukenzoutoplossing, c(NaCI) = 0.200 mol/L wordt met water verdund tot 400 mL. Bereken de concentratie na verdunnen. Gegeven:
Vvoor = 0.250 L; cvoor = 0.200 mol/L; Vna = 0.400 L;
Gevraagd:
cna
Schatting:
De concentratie zal lager zijn dan 0.200 mol/L
Oplossing:
Vvoor • cvoor = Vna • cna 0.250 L • 0.200 mol/L = 0.400 L • cna c(NaCI) = 0.250 L • 0.200 mol • L–1 / 0.400 L = 0.125 mol/L
Controle:
De berekende waarde is inderdaad kleiner, het aantal significante cijfers klopt. Ga zelf na dat er voor en na verdunning 5.0 • 10–2 mol NaCl aanwezig was.
Als twee oplossingen, die een verschillende stof bevatten bij elkaar gevoegd worden, dan daalt de concentratie van beide opgeloste stoffen. We gaan ervan uit, dat de beide stoffen niet met elkaar reageren. De boven beschreven verdunningsregel wordt op beide stoffen apart toegepast.
In de vorige paragraaf hebben we gezien, dat oplossingen met een gewenste concentratie meestal worden gemaakt door afwegen van de vaste stof en aanvullen tot een bepaald volume met oplosmiddel. Sterke zuren als HCI, H2SO4 en HNO3 worden meestal aangeschaft in geconcentreerde vorm. In het laboratorium hebben we vaak oplossingen nodig met een concentratie tussen 0.10 en 4 mol • L–1. Die bereiden we door verdunnen.
11
Chemisch Rekenen & Zuren en Basen Voorbeeld Uit geconcentreerd zwavelzuur, w(H2SO4) (massapercentage) = 0.96 %, ρ = 1.84 g • mL–1, Mw = 98.08 g • mol–1 , moet 10 L verdund zwavelzuur gemaakt worden met een concentratie van 4.0 mol • L–1. Hoeveel L geconcentreerd zwavelzuur is daarvoor nodig? Gegeven:
Geconcentreerd zwavelzuur: w(H2SO4) = 0.96, ρ = 1.84 g / mL, Mw = 98.08 g / mol
Gevraagd:
Nodig: 10 L zwavelzuur, c(zwavelzuur) = 4.0 mol / L.
Oplosroute:
1 Bereken de concentratie H2SO4 in geconcentreerd zwavelzuur. 2 Bereken de hoeveelheid geconcentreerd zwavelzuur die verdund moet worden met de verdunningsregel.
Schatting:
Je weet misschien, dat geconcentreerde zuuroplossingen een concentratie van 10 tot 20 mol / L hebben. Het geconcentreerde zuur zou dan twee tot vijf keer verdund moeten worden om de gevraagde oplossing te krijgen. Er is dan 2 tot 5 liter geconcentreerd zuur nodig. (In de Binas staat c(H2SO4) in geconcentreerd zwavelzuur.)
Oplossing 1:
2:
Controle:
1 L geconcentreerd zwavelzuur heeft een massa van 1.84 kg. Daarvan is 0.96 • 1.84 kg = 1.766 kg zwavelzuur. 1.766 kg zwavelzuur is 1766 g / 98.08 g • mol–1 = 18.00 mol. c(zwavelzuur) = 18.00 mol / L. Vgec.zw.z. • 18.00 mol / L = 10 L • 4.0 mol / L. Daaruit volgt: V = 40/18 = 2.2 L geconcentreerd zwavelzuur moet verdund worden tot 10 L. Twee significante cijfers. De verdunningsfactor is inderdaad ongeveer 5.
12
