stringtranslate.com

Моляльность

В химии моляльность — это мера количества растворенного вещества в растворе относительно заданной массы растворителя. Это контрастирует с определением молярности , которое основано на заданном объеме раствора.

Обычно используемая единица моляльности — моль на килограмм (моль/кг). Раствор с концентрацией 1 моль/кг также иногда обозначается как 1  моль . Единица моль/кг требует, чтобы молярная масса была выражена в кг/моль вместо обычных г/моль или кг/кмоль.

Определение

Моляльность ( b ) раствора определяется как количество веществамолях ) растворенного вещества, n растворенного вещества , деленное на массу (в кг ) растворителя , m растворителя : [1]

.

В случае растворов с более чем одним растворителем моляльность может быть определена для смешанного растворителя, рассматриваемого как чистый псевдорастворитель. Вместо моль растворенного вещества на килограмм растворителя, как в бинарном случае, единицы определяются как моль растворенного вещества на килограмм смешанного растворителя. [2]

Источник

Термин моляльность образован по аналогии с молярностью , которая является молярной концентрацией раствора. Самое раннее известное использование интенсивного свойства моляльность и его прилагательной единицы, ныне устаревшего моляля , по-видимому, было опубликовано Г. Н. Льюисом и М. Рэндаллом в публикации 1923 года Термодинамика и свободная энергия химических веществ. [3] Хотя эти два термина можно спутать друг с другом, моляльность и молярность разбавленного водного раствора почти одинаковы, поскольку один килограмм воды (растворителя) занимает объем 1 литр при комнатной температуре, а небольшое количество растворенного вещества мало влияет на объем.

Единица

Единицей моляльности в системе СИ является моль на килограмм растворителя.

Раствор с моляльностью 3 моль/кг часто описывается как «3 моляль», «3 м» или «3  м ». Однако, следуя системе единиц СИ, Национальный институт стандартов и технологий , орган США по измерениям , считает термин «моляльный» и символ единицы «м» устаревшими и предлагает моль/кг или родственную единицу СИ. [4]

Рекомендации по использованию

Преимущества

Основное преимущество использования моляльности в качестве меры концентрации заключается в том, что моляльность зависит только от масс растворенного вещества и растворителя, которые не зависят от изменений температуры и давления. Напротив, растворы, приготовленные объемно (например, молярная концентрация или массовая концентрация ), вероятно, изменятся при изменении температуры и давления. Во многих приложениях это является существенным преимуществом, поскольку масса или количество вещества часто важнее его объема (например, в задаче с ограничивающим реагентом ).

Еще одним преимуществом моляльности является тот факт, что моляльность одного растворенного вещества в растворе не зависит от присутствия или отсутствия других растворенных веществ.

Проблемные зоны

В отличие от всех других композиционных свойств, перечисленных в разделе «Связь» (ниже), моляльность зависит от выбора вещества, которое будет называться «растворителем» в произвольной смеси. Если в смеси есть только одно чистое жидкое вещество, выбор ясен, но не все растворы столь однозначны: в растворе спирта и воды любой из них можно назвать растворителем; в сплаве или твердом растворе нет четкого выбора, и все компоненты можно рассматривать одинаково. В таких ситуациях предпочтительной композиционной спецификацией является массовая или мольная доля.

Отношение к другим составным величинам

В дальнейшем с растворителем можно обращаться так же, как и с другими компонентами раствора, так что моляльность растворителя раствора n - растворенного вещества, скажем, b0 , окажется не более чем обратной величиной его молярной массы, M0 ( выраженной в единицах кг/моль):

.

Для растворенных веществ выражение моляльностей аналогично:

.

Выражения, связывающие моляльности с массовыми долями и массовыми концентрациями, содержат молярные массы растворенных веществ M i :

.

Аналогично, приведенные ниже равенства получаются из определений моляльностей и других композиционных величин.

Мольную долю растворителя можно получить из определения, разделив числитель и знаменатель на количество растворителя n 0 :

.

Затем сумму отношений остальных мольных количеств к количеству растворителя заменяют на выражения, содержащие моляльности, приведенные ниже:

давая результат

.

Массовая доля

Преобразования в массовую долю w 1 растворенного вещества в растворе с одним растворенным веществом и обратно имеют вид

где b 1 — моляльность, а M 1молярная масса растворенного вещества.

В более общем случае, для раствора n -го растворенного вещества/одного растворителя, пусть b i и w i будут, соответственно, моляльностью и массовой долей i -го растворенного вещества,

,

где M i — молярная масса i- го растворенного вещества, а w 0 — массовая доля растворителя, которая выражается как в виде функции моляльности, так и в виде функции других массовых долей,

.

Замена дает:

.

Мольная доля

Преобразования в мольную долю и из мольной доли , x 1 мольная доля растворенного вещества в растворе с одним растворенным веществом:

,

где M 0 — молярная масса растворителя.

В более общем случае, для раствора n -растворенного вещества/одного растворителя, пусть x i будет мольной долей i- го растворенного вещества,

,

где x 0 — мольная доля растворителя, выражаемая как функцией моляльности, так и функцией других мольных долей:

.

Замена дает:

.

Молярная концентрация (молярность)

Преобразования в молярную концентрацию c 1 и обратно для растворов с одним растворителем равны

,

где ρмассовая плотность раствора, b 1 — моляльность, а M 1 — молярная масса (в кг/моль) растворенного вещества.

Для растворов с n растворенными веществами преобразования равны

,

где молярная концентрация растворителя c 0 может быть выражена как в виде функции моляльностей, так и в виде функции других молярностей:

.

Замена дает:

,

Массовая концентрация

Преобразования в массовую концентрацию ρ растворенного вещества и обратно для раствора с одним растворенным веществом имеют вид

,

или

,

где ρ — массовая плотность раствора, b 1 — моляльность, а M 1 — молярная масса растворенного вещества .

Для общего раствора n -растворенного вещества массовая концентрация i- го растворенного вещества, ρ i , связана с его моляльностью, b i , следующим образом:

,

где массовая концентрация растворителя, ρ 0 , может быть выражена как функция моляльностей, так и функция других массовых концентраций:

.

Замена дает:

.

Равные соотношения

В качестве альтернативы можно использовать только последние два уравнения, приведенные для композиционных свойств растворителя в каждом из предыдущих разделов, вместе с приведенными ниже соотношениями, чтобы вывести остальные свойства в этом наборе:

,

где i и j — нижние индексы, представляющие все компоненты, n растворенных веществ плюс растворитель.

Пример преобразования

Кислотная смесь состоит из 0,76, 0,04 и 0,20 массовых долей 70% HNO 3 , 49% HF и H 2 O, где проценты относятся к массовым долям бутилированных кислот, содержащих остаток H 2 O. Первым шагом является определение массовых долей компонентов:

.

Приблизительные молярные массы в кг/моль составляют

.

Сначала вычислите моляльность растворителя в моль/кг,

,

и использовать это для вывода всех остальных с использованием равных соотношений:

.

На самом деле, b H 2 O отменяется, потому что он не нужен. В этом случае есть более прямое уравнение: мы используем его для вывода моляльности HF:

.

Из этого результата можно вывести мольные доли:

,
,
.

Осмоляльность

Осмоляльность — это разновидность моляльности, которая учитывает только растворенные вещества, которые вносят вклад в осмотическое давление раствора . Она измеряется в осмолях растворенного вещества на килограмм воды. Эта единица часто используется в результатах медицинских лабораторий вместо осмолярности , поскольку ее можно измерить просто путем понижения точки замерзания раствора или криоскопии (см. также: осмостатные и коллигативные свойства ).

Отношение к кажущимся (молярным) свойствам

Моляльность появляется в выражении кажущегося (молярного) объема растворенного вещества как функции моляльности b этого растворенного вещества (и плотности раствора и растворителя):

,
.

Для многокомпонентных систем соотношение немного изменяется суммой моляльностей растворенных веществ. Также для растворенных веществ вместе можно определить общую моляльность и средний кажущийся молярный объем, а также среднюю молярную массу растворенных веществ, как если бы они были одним растворенным веществом. В этом случае первое равенство сверху изменяется со средней молярной массой M псевдорастворенного вещества вместо молярной массы одного растворенного вещества:

,
, y i,j — отношения, включающие моляльности растворенных веществ i,j и общую моляльность b T .

Сумма произведений моляльностей - кажущихся молярных объемов растворенных веществ в их бинарных растворах равна произведению суммы моляльностей растворенных веществ на кажущийся молярный объем в тройном или многокомпонентном растворе. [5]

.

Связь с кажущимися молярными свойствами и коэффициентами активности

Для концентрированных ионных растворов коэффициент активности электролита разделяется на электрическую и статистическую составляющие.

Статистическая часть включает моляльность b, индекс гидратации h , число ионов, образовавшихся при диссоциации, и отношение r a между кажущимся молярным объемом электролита и молярным объемом воды.

Концентрированная статистическая часть коэффициента активности раствора равна: [6] [7] [8]

.

Моляльности тройного или многокомпонентного раствора

Моляльности растворенных веществ b 1 , b 2 в тройном растворе, полученном путем смешивания двух бинарных водных растворов с различными растворенными веществами (например, сахаром и солью или двумя различными солями), отличаются от начальных моляльностей растворенных веществ b ii в их бинарных растворах:

,

,

,

.

Рассчитывается содержание растворителя в массовых долях w01 и w02 из каждого раствора массами ms1 и ms2 , подлежащего смешиванию, в зависимости от начальных моляльностей. Затем количество (моль) растворенного вещества из каждого бинарного раствора делится на сумму масс воды после смешивания:

,

.

Массовые доли каждого растворенного вещества в исходных растворах w 11 и w 22 выражаются как функции исходных моляльностей b 11 , b 22 :

,

.

Эти выражения массовых долей подставляются в конечные моляльности:

,

.

Результаты для тройного раствора можно распространить на многокомпонентный раствор (с более чем двумя растворенными веществами).

Из моляльностей бинарных растворов

Моляльности растворенных веществ в тройном растворе можно выразить также через моляльности в бинарных растворах и их массы:

,

.

Моляльности бинарных растворов составляют:

,

.

Массы растворенных веществ, определенные из моляльностей растворенных веществ и масс воды, можно подставить в выражения масс растворов:

.

Аналогично для массы второго раствора:

.

Массы воды, присутствующей в сумме, можно получить из знаменателя моляльностей растворенных веществ в тройных растворах как функций бинарных моляльностей и масс раствора:

,

.

Таким образом, тройные моляльности равны:

,

.

Для растворов с тремя и более растворенными веществами знаменатель представляет собой сумму масс растворителя в n смешанных бинарных растворах:

,

,

.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «molality». doi :10.1351/goldbook.M03970
  2. ^ Сангстер, Джеймс; Тенг, Тджун-Тоу; Ленци, Фабио (1976). «Молярные объемы сахарозы в водных растворах NaCl, KCl или мочевины при 25°C». Журнал химии растворов . 5 (8): 575–585. doi :10.1007/BF00647379. S2CID  95559765.
  3. ^ www.OED.com . Издательство Оксфордского университета. 2011.
  4. ^ "Руководство NIST по единицам СИ". раздел 8.6.8 . Получено 17 декабря 2007 г.
  5. ^ Харнед Оуэн, Физическая химия электролитических растворов, третье издание 1958 г., стр. 398-399
  6. ^ Глюкауф, Э. (1955). «Влияние ионной гидратации на коэффициенты активности в концентрированных растворах электролитов». Труды Фарадейского общества . 51 : 1235. doi :10.1039/TF9555101235.
  7. ^ Глюкауф, Э. (1957). «Влияние ионной гидратации на коэффициенты активности в концентрированных растворах электролитов». Труды Фарадейского общества . 53 : 305. doi :10.1039/TF9575300305.
  8. ^ Кортюм, Г. (1960). «Структура электролитических растворов», автор: фон У. Дж. Хамер. John Wiley & Sons, Inc., Нью-Йорк; Chapman & Hall, Ltd., Лондон, 1959. 1. Aufl., XII, 441 S., род. $ 18,50 . Ангеванде Хеми . 72 (24): 97. Бибкод :1960АнгЧ..72.1006К. дои : 10.1002/ange.19600722427. ISSN  0044-8249.