W chemii roztworem jest jednorodna mieszanina złożona z dwóch lub więcej substancji. Roztwór molowy to rodzaj roztworu chemicznego, w którym stężenie wyraża się w molach substancji rozpuszczonej na litr roztworu. Koncepcja ta ma fundamentalne znaczenie w badaniach chemii, szczególnie przy przeprowadzaniu eksperymentów laboratoryjnych i reakcji chemicznych.
Zanim zagłębisz się w roztwory molowe, ważne jest, aby zrozumieć, czym jest kret. Mol jest jednostką miary stosowaną w chemii do wyrażania ilości substancji chemicznej. Jeden mol definiuje się jako dokładnie \(6.022 \times 10^{23}\) jednostek (atomów, cząsteczek, jonów lub innych cząstek).
Pierwszym krokiem w przygotowaniu roztworu molowego jest obliczenie masy molowej substancji rozpuszczonej. Masa molowa to masa jednego mola substancji wyrażana w gramach na mol (g/mol). Można go obliczyć, sumując masy atomowe wszystkich atomów w cząsteczce.
Na przykład masę molową wody (H2O) oblicza się, dodając masy atomowe dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu, co równa się \(2 \times 1.008\) g/mol dla wodoru plus \(16.00\) g/ mol dla tlenu, co daje całkowitą masę molową \(18.016\) g/mol.
Po określeniu masy molowej następnym krokiem jest przygotowanie roztworu molowego. Aby przygotować 1 M (jeden molowy) roztwór substancji, należy rozpuścić masę molową substancji w wystarczającej ilości rozpuszczalnika, aby uzyskać jeden litr roztworu.
Na przykład, aby przygotować 1 M roztwór chlorku sodu (NaCl), który ma masę molową \(58.44\) g/mol, \(58.44\) gramów NaCl należy rozpuścić w wystarczającej ilości wody, aby uzyskać końcową objętość jednego litra.
Stężenie roztworu często wyraża się w molach na litr (M). Wzór na obliczenie molarności (M) roztworu jest następujący:
\(M = \frac{\textrm{mole substancji rozpuszczonej}}{\textrm{litrów roztworu}}\)Na przykład, jeśli \(0.5\) moli glukozy (cukru) rozpuszczono w \(2\) litrach wody, stężenie roztworu glukozy będzie wynosić:
\(M = \frac{0.5}{2} = 0.25\; M\)Oznacza to, że roztwór glukozy ma stężenie \(0.25\) moli na litr lub \(0.25\) M.
Rozcieńczanie to proces zmniejszania stężenia substancji rozpuszczonej w roztworze, zwykle poprzez dodanie większej ilości rozpuszczalnika. Zależność pomiędzy początkowym i końcowym stężeniem i objętością można wyrazić jako:
\(C_1V_1 = C_2V_2\)gdzie \(C_1\) i \(C_2\) to odpowiednio stężenia początkowe i końcowe, a \(V_1\) i \(V_2\) to odpowiednio objętości początkowe i końcowe. Wzór ten jest przydatny przy obliczaniu ilości rozpuszczalnika potrzebnej do osiągnięcia pożądanego stężenia.
Na przykład, aby rozcieńczyć \(2\) M roztwór kwasu chlorowodorowego do \(1\) M przez podwojenie jego objętości, można użyć wzoru \(C_1V_1 = C_2V_2\) . Zakładając, że \(V_1\) to \(1\) litr, aby znaleźć \(V_2\) , zmieniasz układ formuły na \(V_2 = \frac{C_1V_1}{C_2}\) . Podstawiając wartości, otrzymujesz: \(V_2 = \frac{2 \times 1}{1} = 2\; \textrm{litry}\)
Oznacza to, że musiałbyś dodać dodatkowy \(1\) litr rozpuszczalnika do \(1\) litra \(2\) M roztworu kwasu solnego, aby uzyskać końcowe stężenie \(1\) M.
Wyobraź sobie, że przeprowadzasz eksperyment, który wymaga \(0.1\) M roztworu kwasu siarkowego (H₂SO₄) i musisz przygotować \(500\) mL tego roztworu. Najpierw oblicz masę molową kwasu siarkowego, która wynosi \(2 \times 1.008 + 32.07 + 4 \times 16.00 = 98.08\) g/mol. Aby znaleźć ilość H₂SO₄ potrzebną do rozwiązania \(0.1\) M:
\(M = \frac{\textrm{mole substancji rozpuszczonej}}{\textrm{litrów roztworu}} \implies \textrm{mole substancji rozpuszczonej} = M \times \textrm{litrów roztworu}\)Ponieważ objętość musi być podana w litrach, przelicz \(500\) ml na \(0.5\) litrów. Następnie,
\(\textrm{mole substancji rozpuszczonej} = 0.1 \times 0.5 = 0.05\; \textrm{mole}\)Aby obliczyć wymaganą masę H₂SO₄, pomnóż liczbę moli przez masę molową:
\(\textrm{masa} = \textrm{mole} \times \textrm{masa cząsteczkowa} = 0.05 \times 98.08 = 4.904\; \textrm{gramy}\)Rozpuścić \(4.904\) gramów kwasu siarkowego w takiej ilości wody, aby otrzymać \(500\) ml roztworu. Proces ten ilustruje, w jaki sposób molarność, objętość i masa molowa są wykorzystywane w praktycznych warunkach laboratoryjnych do przygotowania konkretnych roztworów wymaganych do eksperymentów.
Roztwory molowe mają kluczowe znaczenie w chemii z kilku powodów:
Podsumowując, molarność jest podstawowym pojęciem w chemii, które polega na obliczaniu stężenia roztworów. Rozumiejąc, jak obliczać i przygotowywać roztwory molowe, chemicy mogą z dużą precyzją kontrolować warunki swoich eksperymentów, co prowadzi do znaczących odkryć naukowych i postępu.
