Производство алкоголя

Растворы и выражение их состава

Растворами называются системы, в которых молекулы одного (растворяемого) вещества равномерно распределены между молекула­ми другого вещества (растворителя). В случае растворов жидкостей возможны два случая. В первом случае, когда вещества обладают ограниченной растворимостью, растворителем считается то из них, прибавление которого к раствору возможно в неограниченном коли­честве без нарушения однородности последнего. Вещество, растворимость которого в этом растворе ограничена, называется растворенным. В случае веществ с неограниченной растворимостью друг в друге, примером Которых могут быть этиловый спирт и вода, растворителем называется то из них, которое присутствует в растворе в относительно большем количестве. При растворении твердых ве­ществ, газов и многих жидкостей в жидкостях для каждой пары растворитель — растворенное вещество существует предельное значе­ние содержания его, выше которого растворение не происходит. Это предельное значение называется растворимостью. Растворимость ве­ществ зависит от температуры. Растворимость твердых тел и жидкостей дается в граммах, насыщающих 100 мл растворителя, с указанием растворителя и температуры растворения.

Пример. Для водного раствора NaCI запись 35,710 означает, что при 10°С в 100 мл воды растворяется 35,7 г этой соли.

Если одно из веществ неограниченно растворимо в другом, то это обозначается символом "<»".

Плотность чистых веществ или растворов, то есть масса вещества в единице объема, выражается в г/мл, г/см3' г/дм3 или кг/л. Состав раствора выражают различным образом. Часто для количественного выражения содержания вещества в растворе используют термин "кон­центрация растворенного вещества" (неправильно — "концентрация раствора"), подразумевая под этим отношение количества растворенного вещества в молях или его массы в г или мг к объему раствора. Практические единицы измерения — это моль/л, г/л, мг/л или г/мл.

Если масса растворенного вещества выражена в граммах, а объем раствора в миллилитрах, то концентрацию растворенного вещества называют титром.

Пример. В 1 л раствора содержится 49,04 г 100%-ной серной кислоты. Тогда титр этого раствора будет Т -49,04 г / 1000 мл - 0,04904 г/мл.

Обычно концентрацию обозначают буквой "С" с указанием в скоб­ках единиц, в которых она выражена, например, С(г/л); С(мг/дм3); С (мг/л); С (моль/л) и т. д. Как видно. концентрация — это отношение неоднотипных величин (в данном случае это моль или граммы и литры). Те величины, которые являются отношением однотипных величин и в силу этого не имеют размерности, например отношение объема растворенного вещества к объему раствора, называются долями. Таким образом, численно состав раствора можно охарактеризовать как кон­центрацией, так и долей растворенного вещества. Доли растворенного вещества бывают массовыми и объемными. Массовые и объемные доли определенного вещества при одной и той же концентрации растворенного вещества не совпадают.

Массовая доля растворенного вещества (Р) — это отношение массы растворенного вещества (Мр. в) к массе раствора (Мр).

Доля растворенного вещества выражается как в дробных числах, так и в процентах.

Пример. 100 г NaCl растворено в 1 кг воды. Тогда массовая доля NaCl в растворе равна

РмаС! - 100 г/ 100 г + 1000 г - 0,091 или в процентах 0,091 х 100% = 9,1 мас.%; или другая запись: 9,1 вес.%.

Пример. В 1000 г раствора содержится 100 г сахара. Массовая доля сахара в этом растворе равна

Рсах - - 100 г / ЮООг - 0,1 или 10 мае. %.

Объемная доля растворенного вещества (Pv) — зто отношение объема растворенного вещества (Vp. B.) к объему раствора (Vp),

Pv = Vp. B. / Vp.

Пример. Объемная доля этилового спирта в 1000 мл раствора, приготовленного разбавлением водой 400 мл спирта, равна

Р, - 400 мл / 1000 мл - 0,4 или 40 об. %.

Необходимо отметить, что при смешивании этилового спирта с водой происходит сжатие смеси, называемое явлением контрактации.

В силу этого при смешивании, например, 400 мл этилового спирта и 600 мл воды объем полученного раствора будет меньше 1000 мл.

Содержание 100%-ного[1] этилового спирта в водноспиртовом растворе, выраженное в объемных процентах, называется его крепостью. В литературе крепость выражается в градусах и обознача­ется цифрой с маленьким кружочком вверху. Когда говорят, что водно-спиртовой раствор имеет крепость, например, тридцать градусов, это численно обозначают 30° или 30 об. % и это означает, что один литр такого раствора содержит 0,3 л 100%-ного этилового спирта (но не 0,7 л воды!). СогласноГОСТ 12545-81, крепость отечественных водок обозначается знаком "%" (проценты) с указанием перед ними числового значения крепости, например, "Креп. 40%" или даже "40%". К сожалению, такое обозначение крепости фактически дезинформи­рует покупателя, так как не указывает, о каких процентах идет речь: объемных, массовых или каких-либо других. Крепость иностранных водок обозначается знаками, "% Vol., "Ale. % Vol" или "Ale. by Vol." (Vol — сокращ. От Volume — объем; Ale. — сокращ. от alcohol — алкоголь).

Химики выражают концентрацию различными величинами, среди которых наиболее употребляемы МОЛЯРНОСТЬ И НОРМАЛЬНОСТЬ.

Молярность. Молярная концентрация или молярность (Cm) — это отношение количества растворенного вещества (п), выраженное в молях, к объему раствора, выраженному в литрах, Cm = n / Vp. Практическая единица измерения молярной концентрации — моль/л. Если в одном литре раствора содержится один моль растворенного вещества, то такой раствор называют одномолярным и записывают "IM раствор" или "одномолярный раствор", два — "2М раствор" или "двух- молярный раствор" и т. д.

Массовая концентрация С (г/л) и молярная концентрация Cm (моль/л) связаны соотношением

С (г/л) = Cm (моль/л) х М (г/моль), ще М — молярная масса.

Пример. Имеется 0,1М раствор NaOH. Какова массовая концентрация NaOH в этом растворе? Поскольку для NaOH М-39,99 г/моль, то Cm - 0,1 моль/л х 39,99 моль - 3,999 г/л.

На практике проведение работ с растворами, когда концентрация растворенного вещества выражена в единицах молярности, более удоб­но, чем когда концентрация выражена в массовых единицах, так как если формульные количества реагирующих веществ одинаковы, то для проведения реакции достаточно взять произвольные, но одинаковые объемы растворов этих веществ с одинаковой молярностью. Например, при проведении реакции

НС1 + КОН = КС1 + н2о

Необходимо и достаточно Смешать удобные для работы 20 мл 0,1 М раствора хлороводорода с 20 мл ОДМ раствора гидроксида калия.

Нормальность. В основе этой единицы выражения концентрации лежит понятие об эквиваленте, смысл которого заключается в том, что отдельные химические элементы реагируют (соединяются) друг с другом не в любых количествах, а в определенных, эквивалентных. Другими словами, химические элементы соединяются или взаимно замещают друг друга в количествах, равных или пропорциональных их эквивалентам. Эквивалентом химического элемента называется коли­чество вещества, выраженное в молях, которое соединяется с молем водорода или замещает то же количество атомов водорода в химиче­ских реакциях. Сказанное означает, например, что если в результате взаимодействия между молем водорода и молем хлора образовался НС1, а в результате взаимодействия между молем НС1 и молем Na образовался NaCl

Н + CI = НС1;

НС1 + Na = NaCl + Н, то 1 моль водорода эквивалентен 1 молю хлора или 1 молю натрия, а это означает, в свою очередь, что 1,008 г водорода эквивалентно 35,543 г хлора или 22,989 г натрия.

Понятие об эквиваленте распространяется и на сложные вещества: вещества реагируют между собой также в эквивалентных количествах. Так, в ранее приведенной реакции

НС1 + КОН = КС1 + Н20 НС1 и КОН взаимодействуют в равных количествах (но не в равных массах!): 1 моль НС1 полностью взаимодействуют с 1 молем КОН. Поэтому можно считать, что 1 моль НС1 эквивалентен (равен) 1 молю КОН или 36,46 г НС1 эквивалентны 56,11 г КОН. Также, если в реакцию вступает, например 0,1 моль НС1, или 3,646 г НС1, то с таким количеством и массой НС1 полностью прореагирует эквивалентное количество и эквивалентная масса КОН, то есть 0,1 моль или 5,611 г КОН. В то же время в таких реакциях, как, например, 2КОН + H. SO. = К, SO, + 2Н О, 2АКОН), + 3H;scf, = AL(&,), + 6Н. О, А1(ОН)3 +ЗНС1 = AIClj + ЗН20 одинаковые количества реагирующих веществ уже не эквивалентны друг другу. В частности, из приведенных уравнений видно, что в первой реакции 1 моль КОН эквивалентен 1/2 моля H2SO4, второй — 1/3 моля А1(ОН)з эквивалентны 1/2 моля H3SO4 и в третьей реакции — 1/3 моля А1(ОН)3 эквивалентны 1 молюНСІ. В общем случае эквива­лентом химического соединения называется определенное количество сложного вещества, которое полностью взаимодействуют с одним эквивалентом водорода или другого вещества. Различие между формульным количеством вещества (п) и эквивалентным количеством вещества (пэк) химики учитывают в расчетах с помощью коэффициента (f3K), называемого фактором эквивалентности, п = пэк х f3K и значения которого для веществ, участвующих в вышеприведенных реакциях, как видно, составляют:

F3KKOH = 1; f3KHCl = 1; f3KH2S04 = 1/2; f3KAl(OH)3 =1/3. Понятно, что f.)KH = 1.

При приготовлении растворов массу растворенного вещества определяют путем взвешивания. Поэтому в практической работе наряду с эквивалентным количеством вещества применяют понятие об эквивалентной массе вещества (Мэк). Эквивалентная масса веществ и его молярная масса (М) связаны соотношением Мэк = f3K х М.

Пример

M3kH2S04 - 98,08 г/моль/2 - 49,04 г/моль, МзісНСІ - 36,46 г/моль/1 - 36,46 г/моль, MaicNaOH - 39,99 г/моль/1 -39,99 г/моль.

Как видно, в основу расчета эквивалентной массы сложного веще­ства положены значения его молярной массы и фактора эквивалентно­сти. Иногда вместо фактора эквивалентности используют такие вели­чины, как: валентность металла; произведение валентности металла на число атомов металла, входящих в состав соединения; число гидроксильных групп (ОН ), входящих в состав соединения; основ­ность кислот. Основываясь на этом, эквивалентная масса будет равна: оксида или соли — их молярной массе, деленной на произведение валентности металла на число атомов металла в молекуле; щелочи — ее молярной массе, деленной на валентность металла или число гидроксильных групп или, что то же самое, на кислотность щелочи; кислоты — ее молярной массе, деленной на основность. Одновременно напомним, что кислотность щелочи определяется числом гидроксильных групп (ОН-), а основность кислоты — числом ионов водорода (Н+), которые образуются при диссоциации. В частности, NaOH или КОН — однокислотные щелочи, Са(ОН)2 — двухкислотная щелочь; НС1 — одноосновная, a H2S04 — двухосновная кислоты, так как при их диссоциации образуются, соответственно, один и два иона водорода. В то же время уксусная кислота С2Н402 также однооснов­ная, так как из входящих в ее состав четырех атомов водорода способен отщепляться в виде иона только один.

Связь между массой некоторой порции вещества (ш), его эквивален­тным количеством (Пэк) и эквивалентной массой (Мэк) дается формулой m = Пэк х Мэк.

Понятие "нормальность раствора" характеризует эквивалентную концентрацию растворенного вещества (Сэк). Эквивалентная кон­центрация растворенного вещества численно равна отношению экви­валентного количества растворенного вещества (Пэк) к объему раствора (Vp), Сэк = Пэк/Vp. Практическая единица измерения экви­валентной концентрации — моль/л. При записях нормальность обоз­начают словом "нормальный", буквами — русской H или латинской N с указанием перед ними числового значения эквивалентной кон­центрации растворенного вещества. Эквивалентная и молярная кон­центрации связаны соотношением

Сэк = с/ їзк.