Příprava roztoků

Už jste zapomněli, jak nás to ve škole učili? Co je to hmotnostní procento a co molární koncentrace? Najděte si vzor pro svůj výpočet!

• Váhové procento udává počet g složky ve 100 g roztoku. Např 10% roztok chloridu sodného je roztok 10 g chloridu sodného v 90g vody. Hustota vody je přibližně 1 gm^-3, proto lze přidat 90 ml vody. U velmi zředěných roztoků (asi do 1%), kdy je hustota roztoku blízká 1, lze naváženou látku doplnit vodou na 100 ml. Např. 1% roztok chloridu sodného se připraví tak, že 1 g soli se doplní na 100ml roztoku.

• Molární koncentrace udává počet grammolekul látky na 1000ml roztoku. Grammolekula je molekulová hmotnost vyjádřená součtem atomových hmotností atomů v molekule a je vyjádřená v gramech. Z uvedeného vyplývá, že v 1M roztoku různých látek je rozpuštěna různá hmotnost těchto látek. Například 1M roztok chloridu sodného se získá dolije-li se 58.443 g soli vodou na 1000 ml.

• Normální koncentrace se v současnosti již nepoužívá. Udává počet gramekvivalentů látky na 1000ml roztoku. Gramekvivalent je dán podílem grammolekuly a chemického ekvivalentu, který závisí na reakci, jíž se molekula účastní. U acidobazických reakcí je např. dán počtem vodíkových nebo hydroxylových skupin v protolytu (tj. např. na sytnosti kyselin), u redoxních reakcí závisí na počtu přesunutých elektronů.

• Nasycený roztok je roztok obsahující maximální množství rozpuštěné látky za dané teploty. Rozpustnosti tj. počty gramů látky na litr nasyceného roztoku jsou pro mnoho sloučenin tabelovány v běžných chemických tabulkách. Díky tomu však, že v naprosté většině případů rozpustnost stoupá s teplotou, je možno nasycený roztok připravit tak, že se do vody nasype odhadem určité množství sloučeniny, voda se zahřeje a všechna pevná látka se v ní rozpustí. Roztok pak zchladne, přebytečná látka vykrystalizuje a nasycený roztok se zfiltruje.

• Zřeďovací pravidlo

slouží k výpočtu množství složek v případě, že se roztok připravuje z jiného roztoku. Otázka např. zní: Kolik je třeba přidat vody do 30% roztoku Porosilu, abychom získali 1 l 20% roztoku? Podle zřeďovacího zákona je součin objemu a koncentrace před zředěním roven součinu objemu a koncentrace po smísení. Princip zákona spočívá v tom, že množství rozpuštěné látky je před ředěním i po ředění stejné (zákon o zachování hmoty).

Na počátku máme neznámý objem roztoku V₁ o známé koncentrace c₁ = 0.3 gcm^{-3 a na konci známý objem roztoku V}₂ = 1 l o známé koncentraci c₂ = 0.2 gcm^-3

c₁ . V₁ = c₂ . V₂

V₁ = (c₂ . V₂) : c = 1 . 0.2 : 0.3 = 0.67 l

Je třeba vzít 0.67 l 30% roztoku Porosilu a doplnit jej na 1 l vodou (tj. přidat 0.33 l vody), abychom získali 1 l 20% Porosilu.

• Přepočet molární koncentrace na percentuální koncentraci

Máme 1M roztok hydroxidu sodného, kolika procentní je to roztok?

V 1M roztoku NaOH je na 1000 ml (1000g) 1 grammolekula tj. 39.9971 g NaOH

1% = (1000 + 39.9971) : 100 % = 10.399971 g

% = 10.399971 : 39.9971 = 0.26 %

1M roztok NaOH je 0.26% roztok.

• Přepočet ředění v obj. dílech na percentuální koncentraci

Kolika procentní je kyselina sírová, která je naředěna 2 : 3 ? Na počátku máme 1 obj. díl koncentrované kyseliny (u kys. sírové to je 96%, viz. kap. rozpouštědla ve skriptech) a 3 díly vody.

% = (2 . 0.96 : (2 + 3)) . 100 = 38.4%

Roztok má koncentraci 38.4%

• Přepočet koncentrace vyjádřené v gl^-1 na percentuální koncentraci

Máme roztok 20.4 g hydroxidu sodného na 1000 ml roztoku. Kolika procentní roztok to je? Hodnotu lze odhadnout při zjednodušení, že hydroxid sodný má zanedbatelný objem. Pak:

1% = (1000 + 20.4) : 100 = 10.204 g

% = 20.4 : 10.204 = 1.999

Pro přesný výpočet je však nutno změřit hustotu roztoku ()V tomto případě je hustota 1.0207 gcm^{-3 a přesný výsledek je 2%. Pro některé látky je podle hustoty již rovnou tabelována koncentrace a není tedy třeba nic počítat.}

% = (20.4 : ) . 100 = 2

Tvrdost vody

Destilací se čistí veškerá vody pro laboratorní použití nebo se alespoň používá voda změkčená. Voda se v přírodě nevyskytuje čistá, ale znečištěná solemi způsobujícími přechodnou tvrdost vody (hydrogenuhličitan vápenatý a hořečnatý) a trvalou tvrdost vody (sírany a chloridy).

Přechodnou tvrdost lze odstranit převařením, po kterém se vyrážejí normální uhličitany, trvalá tvrdost se odstraňuje sodou nebo hydroxidem sodným, které rozpuštěné soli vysráží.

Další způsob změkčování vody spočívá ve vmíchání přesně odměřeného množství kyseliny šťavelové do velkého objemu v nádobě s kohoutem ve spodní třetině. Do druhého dne se vysrážejí nerozpustné šťavelany kovů, převážně štavelan vápenatý, hořečnatý, železnatý a manganatý a sedimentují u dna. Voda se vypouští z horních dvou třetin nádoby. Zatímco běžná vodovodní voda má 10^° tvrdosti, takto získaná voda má jen 1^°, což stačí k většině restaurátorských účelů, nehodí se však pro analytické účely. Přístroje a chemikálie potřebné k tomuto postupu jsou komerčně dostupné.

Chemicky čistá voda se připravuje destilací případně redestilací (2x destilovaná) nebo filtrací na iontoměničích, tzv. deionisovaná voda. Iontoměniče jsou syntetické pryskyřice schopné z vody zachycovat kovy a nahrazovat je vodíkovými ionty (katexy), nebo anionty nahrazovat hydroxylovými skupinami (anexy). Iontová výměna probíhá při pozvolném průtoku vody porézními volně sypanými kuličkami iontoměniče bez dodávky energie. Produkce takového zařízení je značná, musí být však stále v provozu. Po vyčerpání iontoměniče je nutno jej regenerovat promytím kyselinou resp. zásadou. Pro nárazovou výrobu deionisované vody je vhodnější destilační přístroj, který je ovšem energeticky náročný.

Stupně tvrdosti vody

Německý stupeň tvrdosti vody (^oněm.) je definován jako 1 mg CaO nebo 0.72 mg MgO rozpuštěný ve 100 cm³ vody

Francouzský stupeň tvrdosti vody (^ofranc.) 1 mg CaCO₃ (= 0.56 mg CaO) nebo 0.84 mg MgCO₃ (% 0.4 mg MgO) ve 100 cm³ vody

Anglický Clarkův stupeň tvrdosti vody (^oClark) 14.4 mg CaCO₃ v 1 l vody

Americký stupeň tvrdosti vody (^oU.S.) bývá udáván v gránech na U.S. gallon a odpovídá 17.1 mg CaCO₃ v litru

1 ^ofranc. = 0.56 ^oněm.

1 ^oClark = 0.8 ^oněm.

1 ^oněm. = 0.96 ^oU.S.