Stężenie molowe określa, ile moli substancji rozpuszczonej znajduje się w określonej objętości roztworu. W praktyce używa się go przy przygotowywaniu roztworów, elektrolitów, analizie chemicznej, elektrochemii oraz badaniu cieczy przewodzących prąd.
W odróżnieniu od stężenia procentowego stężenie molowe nie mówi bezpośrednio o masie substancji w masie roztworu. Tutaj liczy się liczba moli substancji przypadająca na objętość całego roztworu.
Stężenie molowe – wzór
Podstawowy wzór na stężenie molowe ma postać:
c=\frac{n}{V}gdzie:
- c – stężenie molowe roztworu, najczęściej w [mol/dm³] albo [mol/L],
- n – liczba moli substancji rozpuszczonej [mol],
- V – objętość całego roztworu [dm³] albo [L].
Objętość we wzorze oznacza objętość roztworu, a nie samego rozpuszczalnika. To ważne przy przygotowywaniu roztworów o dokładnym stężeniu.
Jednostki stężenia molowego
W zadaniach i praktyce laboratoryjnej najczęściej stosuje się jednostki:
\frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{dm}^3} \frac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}}Ponieważ 1\ \mathrm{dm}^3=1\ \mathrm{L}, zapis \mathrm{mol/dm^3} i \mathrm{mol/L} oznacza w praktyce tę samą wartość liczbową.
Formalną jednostką SI dla stężenia ilości substancji jest \mathrm{mol/m^3}, ale w chemii roztworów najczęściej używa się \mathrm{mol/L} albo \mathrm{mol/dm^3}.
Przekształcenia wzoru
Ze wzoru podstawowego można obliczyć liczbę moli:
n=c\cdot Valbo objętość roztworu:
V=\frac{n}{c}Jeżeli dane są podane w gramach, najpierw trzeba obliczyć liczbę moli z masy i masy molowej:
n=\frac{m}{M}Po podstawieniu do wzoru na stężenie molowe otrzymujemy:
c=\frac{m}{M\cdot V}Z tego samego układu zależności można obliczyć masę substancji potrzebną do przygotowania roztworu:
m=c\cdot V\cdot MRozcieńczanie roztworu
Przy rozcieńczaniu ilość substancji rozpuszczonej pozostaje taka sama. Zmienia się objętość roztworu, więc zmienia się stężenie.
c_1V_1=c_2V_2Ten wzór stosuje się wtedy, gdy do roztworu dodaje się rozpuszczalnik, ale nie dodaje się ani nie usuwa substancji rozpuszczonej.
Objętości muszą być zapisane w tych samych jednostkach. Można użyć litrów, mililitrów albo decymetrów sześciennych, o ile po obu stronach równania zachowana jest ta sama jednostka objętości.
Zastosowanie w technice i elektrotechnice
Stężenie molowe jest ważne tam, gdzie znaczenie ma liczba cząsteczek albo jonów w objętości roztworu. W technice dotyczy to szczególnie elektrolitów, ogniw elektrochemicznych, akumulatorów, roztworów przewodzących prąd i kontroli procesów chemicznych.
W elektrolitach stężenie jonów wpływa na przewodność cieczy. Dlatego temat łączy się z działaniem akumulatorów, ładowaniem, procesami elektrochemicznymi i oceną właściwości roztworów roboczych.
W chemii analitycznej stężenie molowe pojawia się przy miareczkowaniu, obliczeniach reakcji i przygotowywaniu roztworów wzorcowych. Z tym obszarem łączy się między innymi kompleksometria oraz obliczenia oparte na ilości substancji.
Przy układach magazynowania energii i elektrochemii samo stężenie molowe nie wystarcza do oceny całego układu, ale jest jednym z parametrów opisujących roztwór. W praktyce dochodzi jeszcze temperatura, skład elektrolitu, przewodność, lepkość, reakcje uboczne i warunki pracy ogniwa.
Najczęstsze błędy w obliczeniach
Najczęstszy błąd to podstawienie masy w gramach bezpośrednio pod symbol n. Liczba moli to nie masa. Jeżeli w danych podano gramy, trzeba najpierw użyć masy molowej.
Drugi błąd to użycie mililitrów bez przeliczenia. Jeżeli stężenie ma być w \mathrm{mol/L}, objętość musi być w litrach. Na przykład 250\ \mathrm{ml}=0{,}250\ \mathrm{L}.
Trzeci błąd dotyczy objętości. We wzorze c=\frac{n}{V} chodzi o objętość całego roztworu, a nie objętość rozpuszczalnika użytego na początku przygotowania.
Zadania ze stężenia molowego
Zadanie 1. Obliczenie stężenia molowego
W 0{,}5\ \mathrm{L} roztworu znajduje się 0{,}25\ \mathrm{mol} substancji rozpuszczonej. Oblicz stężenie molowe roztworu.
Dane
- n=0{,}25\ \mathrm{mol}
- V=0{,}5\ \mathrm{L}
Rozwiązanie
Korzystamy ze wzoru na stężenie molowe:
c=\frac{n}{V}Podstawiamy dane:
c=\frac{0{,}25}{0{,}5}=0{,}5\ \mathrm{mol/L}Odpowiedź
Stężenie molowe roztworu wynosi 0{,}5\ \mathrm{mol/L}.
Zadanie 2. Stężenie molowe z masy substancji
Rozpuszczono 5{,}85\ \mathrm{g} chlorku sodu NaCl i przygotowano 0{,}5\ \mathrm{L} roztworu. Przyjmij masę molową NaCl: M=58{,}5\ \mathrm{g/mol}. Oblicz stężenie molowe.
Dane
- m=5{,}85\ \mathrm{g}
- M=58{,}5\ \mathrm{g/mol}
- V=0{,}5\ \mathrm{L}
Rozwiązanie
Najpierw obliczamy liczbę moli:
n=\frac{m}{M} n=\frac{5{,}85}{58{,}5}=0{,}1\ \mathrm{mol}Następnie liczymy stężenie molowe:
c=\frac{n}{V} c=\frac{0{,}1}{0{,}5}=0{,}2\ \mathrm{mol/L}Odpowiedź
Stężenie molowe roztworu wynosi 0{,}2\ \mathrm{mol/L}.
Zadanie 3. Rozcieńczanie roztworu
100\ \mathrm{ml} roztworu o stężeniu 2\ \mathrm{mol/L} rozcieńczono do objętości 500\ \mathrm{ml}. Oblicz nowe stężenie molowe roztworu.
Dane
- c_1=2\ \mathrm{mol/L}
- V_1=100\ \mathrm{ml}
- V_2=500\ \mathrm{ml}
Rozwiązanie
Przy rozcieńczaniu ilość substancji rozpuszczonej się nie zmienia, więc korzystamy ze wzoru:
c_1V_1=c_2V_2Przekształcamy wzór:
c_2=\frac{c_1V_1}{V_2}Podstawiamy dane. Objętości są w tych samych jednostkach, więc mogą zostać w mililitrach:
c_2=\frac{2\cdot100}{500}=0{,}4\ \mathrm{mol/L}Odpowiedź
Po rozcieńczeniu stężenie molowe roztworu wynosi 0{,}4\ \mathrm{mol/L}.