В статье рассматривается такое понятие, как массовая доля. Приводятся способы ее вычисления. Также описаны определения сходных по звучанию, но отличных по физическому смыслу величин. Это массовые доли для элемента и выхода.
Колыбель жизни - раствор
Вода - источник жизни на нашей прекрасной голубой планете. Это выражение можно встретить довольно часто. Однако мало кто, кроме специалистов, задумывается: на самом деле субстратом для развития первых биологических систем стал раствор веществ, а не химически чистая вода. Наверняка в популярной литературе или передаче читатель встречал выражение «первичный бульон».
Об источниках, давших толчок развитию жизни в виде сложных органических молекул, до сих пор спорят. Некоторые даже предполагают не просто естественное и весьма удачное стечение обстоятельств, а космическое вмешательство. Причем речь идет вовсе не о мифических пришельцах, а о специфических условиях для создания этих молекул, которые могут существовать только на поверхности малых космических тел, лишенных атмосферы, - кометах и астероидах. Таким образом, было бы правильнее говорить, что раствор органических молекул - колыбель всего живого.
Вода как химически чистое вещество
Несмотря на огромные соленые океаны и моря, пресные озера и реки, в химически чистом виде вода встречается крайне редко, в основном в специальных лабораториях. Напомним, в отечественной научной традиции химически чистое вещество - это субстанция, которая содержит не более десяти в минус шестой степени массовой доли примесей.
Получение абсолютно свободной от посторонних компонентов массы требует невероятных затрат и редко себя оправдывает. Применяется только в отдельных производствах, где даже один посторонний атом может испортить эксперимент. Отметим, что полупроводниковые элементы, которые составляют основу сегодняшней миниатюрной техники (в том числе смартфоны и планшеты), к примесям очень чувствительны. В их создании как раз и нужны совершенно незагрязненные растворители. Однако по сравнению со всей жидкостью планеты это ничтожно мало. Как же так получается, что распространенная, пронизывающая нашу планету насквозь вода так редко встречается в чистом виде? Объясним чуть ниже.
Идеальный растворитель
Ответ на поставленный в предыдущем разделе вопрос невероятно прост. Вода имеет полярные молекулы. Это значит, что в каждой мельчайше частице этой жидкости положительный и отрицательный полюсы не намного, но разнесены. При этом структуры, возникающие даже в жидкой воде, создают дополнительные (так называемые водородные) связи. И в общей сложности это дает следующий результат. Попадающее в воду вещество (не важно, какой заряд оно имеет) растаскивается молекулами жидкости. Каждая частичка растворенной примеси обволакивается либо отрицательными, либо положительными сторонами молекул воды. Таким образом, эта уникальная жидкость способна растворять очень большое количество самых разнообразных веществ.
Понятие массовой доли в растворе
Получающийся раствор содержит некоторую часть примеси, имеющей название "массовая доля". Хотя такое выражение встречается не часто. Обычно используется другой термин - "концентрация". Массовая доля определяется конкретным соотношением. Формульное выражение приводить не будем, оно достаточно простое, объясним лучше физический смысл. Это соотношение двух масс - примеси к раствору. Массовая доля - величина безразмерная. Выражается по-разному в зависимости от конкретных задач. То есть в долях единицы, если в формуле есть только соотношение масс, и в процентах - если результат умножается на 100%.
Растворимость
Помимо Н 2 О применяются и другие растворители. Кроме того, есть вещества, которые принципиально не отдают свои молекулы воде. Зато с легкостью растворяются в бензине или горячей серной кислоте.
Существуют специальные таблицы, которые показывают, сколько того или иного материала останется в жидкости. Этот показатель называется растворимостью, и он зависит от температуры. Чем она выше, тем активнее двигаются атомы или молекулы растворителя, и тем больше примеси он способен поглотить.
Варианты определения доли растворенного вещества в растворе
Так как задачи у химиков и технологов, а также инженеров и физиков могут быть разными, часть растворенного вещества в воде определяется по-разному. Объемная доля вычисляется как объем примеси к общему объему раствора. Используется другой параметр, однако принцип остается тем же.
Объемная доля сохраняет безразмерность, выражаясь либо в долях единицы, либо в процентах. Молярность (по-другому еще называется "молярная объемная концентрация") - это число молей растворенного вещества в заданном объеме раствора. В этом определении участвуют уже два различных параметра одной системы, и размерность у данной величины другая. Она выражается в молях на литр. На всякий случай напомним, что моль - это количество вещества, содержащего примерно десять в двадцать третьей степени молекул или атомов.
Понятие массовой доли элемента
Эта величина имеет лишь косвенное отношение к растворам. Массовая доля элемента отличается от рассмотренного выше понятия. Любое сложное химическое соединение состоит из двух или более элементов. Каждый обладает своей относительной массой. Эту величину можно найти в химической системе Менделеева. Там она указана в нецелых числах, но для приблизительных задач значение можно округлить. В состав сложного вещества входит определенное количество атомов каждого вида. Например, в воде (Н 2 О) два атома водорода и один кислорода. Соотношение между относительной массой всего вещества и данного элемента в процентах и будет составлять массовую долю элемента.
Для неискушенного читателя эти два понятия могут показаться близкими. И достаточно часто их путают между собой. Массовая доля выхода относится не к растворам, а к реакциям. Любой химический процесс всегда протекает с получением конкретных продуктов. Их выход рассчитывается по формулам в зависимости от реагирующих веществ и условий процесса. В отличие от просто массовой доли, эту величину не так просто определить. Теоретические расчеты предлагают максимально возможное количество вещества продукта реакции. Однако практика всегда дает немного меньшее значение. Причины такого расхождения кроются в распределении энергий среди даже сильно нагретых молекул.
Таким образом, всегда найдутся наиболее «холодные» частицы, которые не смогут вступить в реакцию и останутся в первоначальном состоянии. Физический смысл массовой доли выхода состоит в том, какой процент составляет реально полученное вещество от теоретически рассчитанного. Формула невероятно проста. Масса практически полученного продукта делится на массу практически рассчитанного, все выражение умножается на сто процентов. Массовая доля выхода определяется по количеству молей реагирующего вещества. Не стоит забывать об этом. Дело в том, что один моль вещества - определенное количество его атомов или молекул. По закону сохранения вещества из двадцати молекул воды не может получиться тридцать молекул серной кислоты, поэтому задачи вычисляются именно так. Из количества молей исходного компонента выводят массу, которая теоретически возможна для результата. Затем, зная, сколько продукта реакции на самом деле было получено, по описанной выше формуле определяют массовую долю выхода.
Из курса химии известно, что массовой долей называют содержание определенного элемента в каком-нибудь веществе. Казалось бы, такие знания обычному дачнику ни к чему. Но не спешите закрывать страницу, так как умение вычислять массовую долю для огородника может оказаться очень даже полезным. Однако, чтобы не запутаться, давайте поговорим обо всем по порядку.В чем суть понятия «массовая доля»?
Массовая доля измеряется в процентах или просто в десятых. Чуть выше мы говорили о классическом определении, которое можно обнаружить в справочниках, энциклопедиях или школьных учебниках химии. Но уяснить суть из сказанного не так просто. Итак, предположим, у нас имеется 500 г какого-то сложного вещества. Сложного в данном случае означает то, что оно не однородно по своему составу. По большому счёту любые вещества, которыми мы пользуемся, являются сложными, даже простая поваренная соль, формула которой – NaCl, то есть она состоит из молекул натрия и хлора. Если продолжать рассуждения на примере поваренной соли, то можно предположить, что в 500 граммах соли содержится 400 г натрия. Тогда его массовая доля будет 80 % или 0,8.
Зачем это нужно дачнику?
Думаю, ответ на этот вопрос вы уже знаете. Приготовление всевозможных растворов, смесей и т. п. является неотъемлемой частью хозяйственной деятельности любого огородника. В виде растворов используются удобрения, различные питательные смеси, а также другие препараты, например, стимуляторы роста «Эпин», «Корневин» и т.д. Кроме того, часто приходится смешивать сухие вещества, например, цемент, песок и другие компоненты, или обычную садовую землю с приобретенным субстратом. При этом рекомендуемая концентрация указанных средств и препаратов в приготовленных растворах или смесях в большинстве инструкций приводится именно в массовых долях.
Таким образом, знание как вычислить массовую долю элемента в веществе поможет дачнику правильно приготовить необходимый раствор удобрения или питательной смеси, а это, в свою очередь, обязательно отразится на будущем урожае.
Алгоритм вычисления
Итак, массовая доля отдельного компонента – это отношение его массы к общей массе раствора или вещества. Если полученный результат нужно перевести в проценты, то надо умножить его на 100. Таким образом, формулу для вычисления массовой доли можно записать так:
W = Масса вещества / Масса раствора
W = (Масса вещества / Масса раствора) х 100 %.
Пример определения массовой доли
Предположим, что мы имеем раствор, для приготовления которого в 100 мл воды было добавлено 5 г NaCl, и теперь необходимо вычислить концентрацию поваренной соли, то есть ее массовую долю. Масса вещества нам известна, а масса полученного раствора представляет собой сумму двух масс – соли и воды и равняется 105 г. Таким образом, делим 5 г на 105 г, умножаем результат на 100 и получаем искомую величину 4,7 %. Именно такую концентрацию будет иметь соляной раствор.
Более практичная задача
На практике же дачнику чаще приходится сталкиваться с задачами другого рода. Например, необходимо приготовить водный раствор какого-либо удобрения, концентрация которого по массе должна быть 10 %. Чтобы точно соблюсти рекомендуемые пропорции, нужно определить, какое понадобится количество вещества и в каком объеме воды его нужно будет растворить.
Решение задачи начинается в обратном порядке. Сначала следует разделить выраженную в процентах массовую долю на 100. В результате получим W= 0,1 – это массовая доля вещества в единицах. Теперь обозначим количество вещества как х, а конечную массу раствора – М. При этом последнюю величину составляют два слагаемых – масса воды и масса удобрения. То есть М = Мв + х. Таким образом, мы получаем простое уравнение:
W = х / (Мв + х)
Решая его относительно х, получим:
х = W х Мв / (1 – W)
Подставляя имеющиеся данные, получаем следующую зависимость:
х = 0,1 х Мв / 0,9
Таким образом, если для приготовления раствора мы возьмем 1 л (то есть 1000 г) воды, то для приготовления раствора нужной концентрации понадобиться примерно 111-112 г удобрения.
Решение задач с разбавлением или добавлением
Предположим, мы имеем 10 л (10 000 г) готового водного раствора с концентрацией в нем некого вещества W1 = 30 % или 0,3. Сколько понадобится добавить в него воды, чтобы концентрация снизилась до W2 = 15 % или 0,15? В этом случае поможет формула:
Мв = (W1х М1 / W2) – М1
Подставив исходные данные, получим, что количество добавляемой воды должно быть:
Мв = (0,3 х 10 000 / 0,15) – 10 000 = 10 000 г
То есть добавить нужно те же 10 л.
Теперь представим обратную задачу – имеется 10 л водного раствора (М1 = 10 000 г) концентрацией W1 = 10 % или 0,1. Нужно получить раствор с массовой долей удобрения W2 = 20 % или 0,2. Сколько нужно будет добавить исходного вещества? Для этого нужно воспользоваться формулой:
х = М1 х (W2 – W1) / (1 – W2)
Подставив исходные значение, получим х = 1 125 г.
Таким образом, знание простейших основ школьной химии поможет огороднику правильно приготовить растворы удобрений, питательные субстраты из нескольких элементов или смеси для строительных работ.
Массовая доля элемента ω(Э) % - это отношение массы данного элемента m (Э) во взятой молекуле вещества к молекулярной массе этого вещества Mr (в-ва).
Массовую долю элемента выражают в долях от единицы или в процентах:
ω(Э) = m (Э) / Мr(в-ва) (1)
ω% (Э) = m(Э) · 100%/Мr(в-ва)
Сумма массовых долей всех элементов вещества равна 1 или 100%.
Как правило, для расчетов массовой доли элемента берут порцию вещества, равную молярной массе вещества, тогда масса данного элемента в этой порции равна его молярной массе, умноженной на число атомов данного элемента в молекуле.
Так, для вещества А x В y в долях от единицы:
ω(A) = Ar(Э) · Х / Мr(в-ва) (2)
Из пропорции (2) выведем расчетную формулу для определения индексов (х, y) в химической формуле вещества, если известны массовые доли обоих элементов и молярная масса вещества:
Х = ω%(A) · Mr(в-ва) / Аr(Э) · 100% (3)
Разделив ω% (A) на ω% (В) , т.е. преобразовав формулу (2), получим:
ω(A) / ω(В) = Х · Ar(А) / У · Ar(В) (4)
Расчетную формулу (4) можно преобразовать следующим образом:
Х: У = ω%(A) / Ar(А) : ω%(В) / Ar(В) = X(А) : У(В) (5)
Расчетные формулы (3) и (5) используют для определения формулы вещества.
Если известны число атомов в молекуле вещества для одного из элементов и его массовая доля, можно определить молярную массу вещества:
Mr(в-ва) = Ar(Э) · Х / W(A)
Примеры решения задач на вычисление массовых долей химических элементов в сложном веществе
Вычисление массовых долей химических элементов в сложном веществе
Пример 1. Определите массовые доли химических элементов в серной кислоте H 2 SO 4 и выразите их в процентах.
Решение
1. Вычисляем относительную молекулярную массу серной кислоты:
Mr (H 2 SO 4) = 1 · 2 + 32 + 16 · 4 = 98
2. Вычисляем массовые доли элементов.
Для этого численное значение массы элемента (с учетом индекса) делят на молярную массу вещества:
Учитывая это и обозначая массовую долю элемента буквой ω, вычисления массовых долей проводят так:
ω(Н) = 2: 98 = 0,0204, или 2,04%;
ω(S) = 32: 98 = 0,3265, или 32,65%;
ω(О) = 64: 98 =0,6531, или 65,31%
Пример 2. Определите массовые доли химических элементов в оксиде алюминия Al 2 O 3 и выразите их в процентах.
Решение
1. Вычисляем относительную молекулярную массу оксида алюминия:
Mr(Al 2 O 3) = 27 · 2 + 16 · 3 = 102
2. Вычисляем массовые доли элементов:
ω(Al) = 54: 102 = 0,53 = 53%
ω(O) = 48: 102 = 0,47 = 47%
Как вычислить массовую долю вещества в кристаллогидрате
Массовая доля вещества - отношение массы данного вещества в системе к массе всей системы, т.е. ω(Х) = m(Х) / m,
где ω(X) - массовая доля вещества Х,
m(X) - масса вещества Х,
m - масса всей системы
Массовая доля - безразмерная величина. Её выражают в долях от единицы или в процентах.
Пример 1. Определите массовую долю кристаллизационной воды в дигидрате хлорида бария BaCl 2 ·2H 2 O.
Решение
Молярная масса BaCl 2 ·2H 2 O составляет:
М(BaCl 2 ·2H 2 O) = 137+ 2 · 35,5 + 2 · 18 = 244 г/моль
Из формулы BaCl 2 ·2H 2 O следует, что 1 моль дигидрата хлорида бария содержит 2 моль H 2 O. Отсюда можно определить массу воды, содержащейся в BaCl 2 ·2H 2 O:
m(H2O) = 2 · 18 = 36 г.
Находим массовую долю кристаллизационной воды в дигидрате хлорида бария BaCl 2 ·2H 2 O.
ω(H 2 O) = m(H 2 O)/m(BaCl 2 · 2H 2 O) = 36 / 244 = 0,1475 = 14,75%.
Пример 2. Из образца горной породы массой 25 г, содержащей минерал аргентит Ag 2 S, выделено серебро массой 5,4 г. Определите массовую долю аргентита в образце.
|
|
Определяем количество вещества серебра, находящегося в аргентите: n(Ag) = m(Ag) / M(Ag) = 5,4 / 108 = 0,05 моль. Из формулы Ag 2 S следует, что количество вещества аргентита в два раза меньше количества вещества серебра. Определяем количество вещества аргентита: n(Ag 2 S) = 0,5 · n(Ag) = 0,5 · 0,05 = 0,025 моль Рассчитываем массу аргентита: m(Ag 2 S) = n(Ag 2 S) · М(Ag2S) = 0,025 · 248 = 6,2 г. Теперь определяем массовую долю аргентита в образце горной породы, массой 25 г. ω(Ag 2 S) = m(Ag 2 S) / m = 6,2/25 = 0,248 = 24,8%. |
