27. aug. 200 Konsentrasjonsmål. Introduksjon I laboratoriet skal vi lage mange typer løsninger: standarder, løsninger av syrer, løsninger av baser og buffere. For at du skal kunne lage og benytte disse løsningene må de være fortrolig med de mange forskjellige former kjemikere benytter når de skal angi konsentrasjoner. Vanlig brukte uttrykk for konsentrasjoner er molaritet, normalitet, molalitet, masseprosent, massevolumprosent og volumprosent, ppm (forkortelse for parts per million), ppb (forkortelse for parts per billion) og p-funksjoner. Molaritet. Molaritet brukes for å angi konsentrasjon av generelle reagens slik som 6 molar HCl eller molar NaOH. Molaritet er definert som antall mol løst stoff er liter løsning. Merk at det betyr per liter løsning, ikke per liter løsningsmiddel. Man løser kjemikaliet, som blir det løste stoff, i nok løsningsmiddel til å lage et spesifisert volum løsning. En elektrolytt er en forbindelse som dissosierer i vann. Elektrolytter deles i sterke elektrolytter som dissosierer fullstendig, f. eks. NaCl og svake elektrolytter som stort sett ikke dissosierer f. eks. eddiksyre, CH COOH. Noen ganger benytter man betegnelsen formal konsentrasjon (F) for å understreke at forbindelsen dissosierer i vann. F. eks. dersom 98 g H 2 SO 4 løses i 1 L vann og vi undersøker likevektskonsentrasjonene finner vi at [H 2 SO 4 ] = 0,00 M, [HSO 4 - ] = 0,99 M, [H O + ] = 1,01 M og [SO 4 2- ] = 0,01 M. Likevel sier vi at molariteten av svovelsyre er 1 molar. Her kan vi si at konsentrasjonen er 1 formal og sette [H 2 SO 4 ] = 1 F for å understreke at vi snakker om konsentrasjon av ikke-dissosiert svovelsyre.
Normalitet. Normalitet benyttes mindre nå enn før, men forekommer likevel hyppig i kjemisk litteratur. Normalitet er definert som antall ekvivalenter løst stoff per liter av en løsning. I syre-base reaksjoner er en ekvivalent av en syre den syremengden som gir et mol hydroniumioner (H O + ) eller som vil reagere med et mol hydroksidion. På samme måte er en ekvivalent av en base den basemengde som gir et mol hydroksidioner eller reagerer med et mol hydroniumioner. Definisjon av ekvivalent er forskjellig i andre anvendelser, som f. eks. redoksreaksjoner. Slike anvendelser vil ikke diskuteres her. For syrer og baser er normaliteten generelt større enn eller lik molariteten av en løsning. Eksempel: H 2 SO 4 (svovelsyre) inneholder to ekvivalenter hydroniumioner per mol; en 18 M løsning vil derfor være 6 N. Molalitet. Molal konsentrasjon angir antall mol av en forbindelse per kilogram løsningsmiddel (ikke per kilogram løsning). En fordel med dette konsentrasjonsmålet er at det er temperaturuavhengig. Regneeksempel: 25,0 g sukrose (rørsukker C 12 H 22 O 11 ) ble løst i 100,0 g rent vann ved 20,0 0 C. Løsningens tetthet er 1,072 g/ml ved 20,0 0 C. Beregn løsningens molaritet og løsningen molalitet. Molmasse sukrose: 42, Antall mol sukrose: 25,0 g ( 1 mol/42 g) = 0,070 mol Løsningens volum: 125 g ( 1 ml/ 1,072 g ) = 116,6 ml = 0,1166 L Løsningens molaritet: 0,070 mol/ 0,1166 L = 0,626 mol /L = 0,626 M Løsningens molalitet: 0,070 mol/ 0,100 kg = 0,70 mol/kg = 0,70 m
Konsentrasjoner uttrykt som prosent. Masseprosent (w/w), massevolumprosent (w/v) og volumprosent (v/v) er konsentrasjoner uttrykt i prosent. Masseprosent er definert som massen av løst stoff multiplisert med 100 dividert med massen av løsningen. Massevolumprosent er definert som massen av løst stoff multiplisert med 100 dividert med volumet av løsningen. Konsentrasjon angitt på kommersielle syrer og baser er ofte angitt i masseprosent. Tabellen nedenfor viser tekniske data for kommersielle syrer og baser vi bruker i våre laboratorier. Løsning Formelmasse Molaritet Normalitet Masseprosent Tetthet Eddiksyre [CH COOH] 60,05 17,4 17,4 99,5 1,05 Ammoniakk [NH ] 17,0 14,8 14,8 28 0,898 Saltsyre [HCl] 6,5 11,6 11,6 6 1,18 Salpetersyre [HNO ] 6,02 15,99 15,99 71 1,42 Svovelsyre [H 2 SO 4 ] 98,1 18,0 6,0 96 1,84 Fosforsyre [H PO 4 ] 98 14,7 44,6 85 1,70 Regneeksempel: Dersom molariteten til en løsning ikke er kjent kan den beregnes fra tetthet og konsentrasjon uttrykt i prosent. Vi regner molariteten av konsentrert HNO som er 71 (vekt %) og har tetthet 1,42. Først beregner vi massen av en liter løsning: 1,42 g kons løsn 1000 ml kons løsn 1,42 10 g kons løsn = 1 ml kons løsn 1 L kons løsn 1 L kons løsn Konsentrasjonen er 71 vekt %. Det betyr at i 100 g løsning er det 71 g ren HNO. Massen av HNO i en liter konsentrert løsning er: 2 71 g HNO 1,42 10 g kons løsn. 10,08 10 g HNO = 100 g kons løsn 1 L kons løsn 1 L kons løsn Så beregner vi antall mol i en liter løsning (molariteten): 2 10,08 10 g HNO 1 mol HNO 16 mol HNO = 1 L kons løsn 6,02 g HNO 1 L løsn 4
Et par regneeksempler: Tilnærmet fortynning av et konsentrert reagens: Hvilket volum konsentrert salpetersyre er nødvendig for å lage 100 ml 6,0 M HNO? Mol reagens i konsentrert løsning = mol reagens i fortynnet løsning. 16 M kons HNO X L = 6 M fortynnet HNO 0,100 L X = 7,5 L = 8 ml Bruk en målesylinder og mål ut 8 ml konsentrert salpetersyre. Denne mengden helles forsiktig ned i 62 ml destillert vann i en brun flaske. Flasken korkes, ristes godt og merkes. Kvantitativ fortynning av en standardløsning: Vi skal lage 100 ml 0,100 M HCl fra en standardløsning der HCl er 2,00 M. Mol reagens i konsentrert løsning = mol reagens i fortynnet løsning. 2,00 M kons HCl X L = 0,100 M fortynnet HCl 0,100 L X = 5,00 ml Løsningen lages ved å pipettere ut 5,00 ml 2,00 M HCl og fortynne til merket i en 100 ml målekolbe. Massevolumprosent (w/v) benyttes ofte for løsninger laget fra reagenser i fast fase. For eksempel inneholder en 20% natriumkloridløsning 20 g NaCl per 100 ml løsning. Et par regneeksempler: Du skal lage 1 L 20 vekt% natriumkloridløsning. Hvor stor mengde NaCl trenger du? (20 g NaCl/100 ml) 1000 ml = 200 g NaCl Overfør 200 g NaCl til en 1 L målekolbe og fortynn til merket med destillert vann. 5
Hvor mye AgNO er nødvendig for å lage 250 ml 1,00 M løsning? (1 mol AgNO /1,0 L løsning) 0,250 ml (169,87 g AgNO /1 mol AgNO ) = 42,5 g AgNO Overfør 26,8 g AgNO i en 250 ml målekolbe og fortynn til merket med destillert vann. Volumprosent (v/v) benyttes om væsker løst i væsker. Konsentrasjonsmål for små mengder. Konsentrasjonsmål som ppt, ppm, og ppb benyttes for å uttrykke konsentrasjon av forbindelser som er tilstede i meget små mengder, som forurensninger i miljøprøver. Dødelige konsentrasjon av giftige substanser funnet i miljøprøver er ofte meget små og for slike prøver er disse konsentrasjonsmålene greie å bruke. I Norge og USA har vi forskjellige betegnelser for store tall. Når man angir konsentrasjoner i ppm og ppb brukes de amerikanske betegnelsene for store tall. Norsk Amerikansk 10 6 Million million 10 9 Milliard billion 10 12 Billion trillion 10 15 Trillion quadrillion Tabellen nedenfor viser forskjellige betydninger av ppt, ppm og ppb. Vi bør vite betydning dersom vi bruker disse betegnelsene. Dersom man angir konsentrasjon av analytter i løsning kan ppm bety mg/l eller mg/kg. Dersom tettheten av løsningen er forskjellig fra 1 mg/ml vil tallverdiene være forskjellige i de to tilfellene. Noen anbefaler derfor at man ikke bruker ppm og ppb, men heller angir konsentrasjon med SI-enheter for volum og masse. Hundredeler, 10-2 % Forkortelse w/w w/v v/v Tusendeler, 10 - Parts per thousand (ppt) mg/g mg/ml ml/l Milliondeler, 10-6 Parts per million ppm mg/kg el. µg/g mg/l el. µg/ml µl/l el. nl/ml Parts per billion, 10-9 ppb µg/kg el ng/g µg/l el. ng/ml nl/l Parts per trillion 10-12 ppt (pptr) ng/kg el pg/g ng/l el. pg/ml Parts per quadrillion 10-15 ppq 6
Jonas målte innholdet av CO 2 i lufta i klasserommet. Målerøret viste 60 ppm. Helsetilsynet sier at verdien i skoler bør ligge under 1000 ppm. Dersom vi må måler til vinteren når det er dårligere ventilasjon eller i auditoriene nede ville vi sannsynligvis fått større verdier. Dere kan beregne kons. av CO 2 i mol/l og i mg/l til torsdagstimen. Bruk tilstandslikningen for ideelle gasser og sett trykket lik 1 atm. Temperaturen i klasserommet var 25 0 C. p-funksjoner benyttes også som konsentrasjonsmål. Dette blir gjennomgått på torsdag. Resten av timen på torsdag bruker dere til oppgaver. Jeg foreslår at dere regner: 1-18, 1-21, 1-22, 1-2, 1-25, 1-29, 1-0 og 1-1. Løsningsforslag ligger på kursets hjemmesider. Flervalgstestene til kap 1 ligger på nettet. Kalkulator og periodesystem er nyttige redskaper for å løse disse oppgavene. I forbindelsene med testene. Til testene og eksamen kan du ha med både lærebok og egne notater. Noen husker veldig godt og vil ha liten bruk for disse hjelpemidlene. De som ikke husker så godt bør sørge for å ha gode og oversiktlige notater. Forskingsresultater viser at studenter blir mye bedre problemløsere dersom de lærer seg å lage gode notater som de kan bruke på eksamen. 7