PŘÍPRAVA ROZTOKŮ Každý roztok se skládá z rozpouštědla a rozpuštěné látky a představuje stejnorodou, tedy homogenní směs. V anorganické chemii bývá rozpouštědlem hlavně voda. Nejčastěji se setkáváme s roztoky pevné látky a kapaliny nebo roztoky dvou kapalin. Vzájemný poměr těchto dvou základních složek udává jejich koncent raci. V praxi se hlavně setkáme se třemi způsoby přípravy roztoků příslušné koncent race: 1. molární, 2. hmotnostní, 3. objemovou. 1.Molární koncentrace V tomto případě se množství látky v roztoku vyjadřuje pomocí molární kon centrace. Příprava roztoku pak vychází ze základní jednotky látkového množství a tím je mol (n). Jeden mol je definován v soustavě SI jako množství látky obsahující stejný počet elementárních částic (atomů, molekul, iontů), kolik je atomů v 0,012 kg 12 nuklidu uhlíku 6 C . Hodnotě látkového množství 1 molu odpovídá 6,022.1023 částic. Počet částic v 1 molu látky (n = 1) je tedy 6,022.1023 a tato hodnota je označována jako Avogadrova konstanta (NA = 6,022.1023 mol-1). Molární roztok určité látky obsahuje 1 mol této látky v 1 litru roztoku. Molární roztok označujeme 1M (molarita). U roztoků je uváděn např. údaj 1 M NaCl, 0,2 M NaOH. Pro koncentraci roztoku platí definiční vztah: n c= (1) V a má tedy jednotku mol.l-1. Hodláme-li použít pro výpočet molární hmotnost (Mm) uváděnou v tabulkách, použijeme vztah: m c= (2) M m .V kde m je hmotnost rozpouštěné látky v kilogramech, objem (V) je objem roztoku v lit rech. Taková množství roztoku se v laboratorních podmínkách nepoužívá, stejného výsledku dosáhneme, pokud budeme hmotnost látky uvádět v gramech a objem v mililitrech. Potom ale také musíme molaritu převést na jednotky mol.ml-3. Poznámka Při chemických výpočtech není nutné se rigorózně držet SI soustavy. V tomto přípa dě se pragmaticky přikloníme k metodologii chemických výpočtů. Bude-li rozpouště dlem destilovaná voda, dále považujeme:
ρ H 2O = 1 000 kg.m −3 = 1 g .cm −3
1 cm 3 = 1 ml
Příklad Kolik gramů chloridu sodného NaCl je potřeba na přípravu 250 ml jeho dvoumolární ho roztoku? -1 -
Řešení M m = 58,45 g .mol −1 ( z tabulek ) V = 250 ml c = 2 M = 2 mol.l −1 = 2.10 −3 mol.ml −1 m=? m ⇒ m = c.M m .V = 2.10 −3 mol.ml −1 .58,45 g.mol −1 .250 ml = 29,23 g M m .V Na přípravu 250 mililitrů dvoumolárního (2 M) roztoku je potřeba 29,23 gramů chlori du sodného. c=
Příprava roztoků pomocí molární koncentrace je na místě u přesných a speci álních měření. K našim účelům si orientačně vystačíme z následujících dvou způ sobů přípravy roztoků. 2.Hmotnostní vyjádření koncentrace Hmotnostní koncentrace (také hmotnostní zlomek), vyjadřuje počet hmotnost ních dílů (gramů) látky rozpuštěné ve 100 dílech (gramech) roztoku. Značí se cm, nabývá hodnot 0 – 1, a platí pro ni vztah: m( A) cm ( A ) = (3) mr kde m(A) je hmotnost rozpouštěné látky (A) mr je hmotnost roztoku Při výpočtech hmotnostní koncentrace je důležité dosadit do jmenovatele hmotnostního zlomku hmotnost celého roztoku, nikoli pouze hmotnost rozpouštědla. Zde se často chybuje! Hmotnostní koncentrace bývá nejčastěji vyjádřena hmotnostním procentem, které získáme vynásobením hodnoty hmotnostního zlomku sty procenty. c m ( % ) = 100 % ⋅ c m ( A)
-2 -
Příklad 1 Kolik glycerinu a kolik destilované vody je zapotřebí k přípravě 200 gramů pětipro centního roztoku? Řešení c = 5 % = 0,05 mr = 200 g m( A ) = ? m( H 2 O ) = ?
m( A ) mr Nejprve zjistíme, kolik glycerinu potřebujeme k výrobě 5 % roztoku: c m ( A) =
m( G ) ⇒ m( G ) = mr .c m ( G ) = 200 g .0,05 = 10 g mr Dále zjišťujeme jaké množství rozpouštědla (vody) je potřeba si připravit. Vyjdeme opět ze vztahu pro celkovou hmotnost roztoku: mr = mG + m H 2O ⇒ m H 2O = mr − mG = ( 200 − 10 ) g = 190 g cm ( G ) =
K přípravě 200 g pětiprocentního roztoku je zapotřebí 10 g glycerinu a 190 g vody. Příklad 2 Jaká je hmotnostní koncentrace roztoku v %, který vznikne rozpuštěním 12 gramů cukru ve 48 mililitrech vody? Řešení m( A) = m( S ) = 12 g ( sacharoza ) VH 2O = 48 ml ⇒ mH 2O = 48 g cm = ? c m ( A) =
m( A ) mr
mr - je hmotnost konečného roztoku. Bude pro něj platit: m r = m S + m H 2O
Pak koncentraci v procentech můžeme vypočítat: cm ( S ) = 100 % ⋅
(
m( S ) 12 g = 100 % ⋅ = 20 % ( 48 + 12) g mS + m H 2 O
)
Hmotnostní koncentrace roztoku je 20 %. -3 -
3. Objemové vyjádření koncentrace Zde budeme zřejmě postupovat obdobným způsobem jako u hmotnostní kon centrace, jen je třeba si uvědomit, že odměřování objemu kapalných látek je méně přesné, na rozdíl od vah vážící s přesností na miligramy. Příprava roztoku libovolné koncentrace Někdy potřebujeme připravit roztok požadované koncentrace z roztoku o zná mé koncentraci nebo míchat dva roztoky o různých koncentracích. Pro smíchání dvou roztoků rozdílné koncentrace platí směšovací rovnice: m1c1 ( A) + m2 c 2 ( B ) = m3 c3 ( r )
(4)
m1, m2 - jsou hmotnosti roztoků (A) a (B) c1, c2 - jsou jejich koncentrace m3 - je hmotnost výsledného roztoku c3 - je koncentrace výsledného roztoku Pro hmotnost výsledného roztoku platí: m3 ( r ) = m1 ( A) + m2 ( B ) Označíme-li pro zjednodušení výslednou koncentraci roztoku c(r), bude pro ní platit: c( r ) =
m1c1 ( A) + m2 c 2 ( B ) m1 ( A) + m2 ( B )
(5)
Pokud se roztok určité koncentrace ředí vodou jejíž koncentraci považujeme za nulovou tedy: m2 c 2 ( B ) = 0 , rovnice pro koncentraci výsledného roztoku se redukuje na tvar: m1c1 ( A) c( r ) = (6) m1 ( A) + m2 ( B ) Velmi často nastává případ, kdy máme k dispozice 100 % roztok látky a potřebujeme z daného množství připravit roztok o jiné, menší koncentraci. Pak je nutné znát hmotnost látky kterou přidáváme do původního roztoku, ve velké většině případů je to voda, hmotnost m2: m2 ( B ) = m1 ( A) ⋅
c1 ( A) − c( r ) c( r )
-4 -
(7)
Příklad 1 Jaká je hmotnostní koncentrace roztoku, který vznikne přidáním 100 gramů 20% roz toku ke 150 gramům 10% roztoku? Řešení m1 ( A) = 100 g
m2 ( B ) = 150 g
c1 ( A) = 20 % = 0,2 c 2 ( B ) = 10 % = 0,1
c( r ) = ? K výpočtu výsledné hmotnostní koncentrace použijeme vztah (5) c( r ) =
m1c1 ( A) + m2 c 2 ( B ) 100 g ⋅ 0,2 + 150 g .0,1 35 = = = 0,14 = 14 % m1 ( A) + m2 ( B ) (100 + 150) g 250
Výsledný roztok má hmotnostní koncentraci 14%. Příklad 2 Z čistého glycerinu o hmotnosti 1,25 g připravte ředěním s destilovanou vodou jeho 90 % roztok. Řešení c( r ) = 90 % = 0,9 c1 ( A) = 100 % = 1 m1 ( A) = 1,25 g m2 = ?
c1 ( A) − c( r ) 1 − 0,9 = 1,25 g = 0,14 g c( r ) 0,9 Ze 100 % roztoku glycerinu připravíme jeho 90 % roztok přidáním 0,14 g destilované vody. m2 ( B ) = m1 ( A) ⋅
Poznámky 1. Při přípravě roztoků je nutné dbát čistotu a pořádek veškerého laboratorního mate riálu. Na každou látku používáme nádoby určené výhradně pro tuto jednu látku. 2. Základní zásadou při míchání roztoků je přidávat pevnou látku do kapalné, nikoli naopak. 3. Při práci na digitálních vahách plně využíváme jejich technické možnosti, kdy mů žeme při jednom vážení určit hmotnost látky v nádobě. 4. Při míchání roztoků neplýtváme zbytečně chemikáliemi a připravujeme jen takové množství, jaké nezbytně potřebujeme.
-5 -
