W zakładach produkcyjnych, laboratoriach przemysłowych i chemicznych prędzej czy później konieczne będzie przygotowanie roztworu o określonym stężeniu procentowym. Ta umiejętność jest niezbędna w wielu pracowniach zarówno związanych z chemią przemysłową, jak i gospodarczą. Z tego powodu warto wiedzieć, jak obliczyć stężenie procentowe roztworu oraz ile substancji należy użyć do stworzenia mieszaniny o określonym stężeniu. W tym artykule dowiesz się, jak to zrobić i zrozumiesz najważniejsze zasady, dzięki którym obliczanie stężenia procentowego już nigdy nie będzie stanowić dla Ciebie problemu!
Czym jest stężenie procentowe?
Zacznijmy od podstaw, aby było Ci łatwiej nie tylko nauczyć się wzoru, lecz także zrozumieć skąd się wziął. Stężenie procentowe to wielkość, która wyraża procentową zawartość jednego ze składników w mieszaninie. Aby zrozumieć pojęcie stężenia procentowego roztworu, warto też wiedzieć, czym jest sam roztwór. Roztwór jest rodzajem mieszaniny jednorodnej, w którym to jedna z substancji (substancja rozpuszczona) jest rozpuszczona w drugiej (rozpuszczalniku). Rozpuszczanie jest zjawiskiem fizycznym, które jest odwracalne. Informacja o ilości rozpuszczonej substancji w rozpuszczalniku nazywana jest właśnie stężeniem procentowym roztworu.
Na przykład, aby otrzymać 25% wodny roztwór wodorotlenku sodu, należy rozpuścić 25 g wodorotlenku w 75 g wody.
Obliczanie stężenia procentowego – jakie wartości trzeba znać?
Żeby obliczyć stężenie procentowe roztworu, należy znać masę całego roztworu (w przypadku wspomnianego powyżej przykładu masa ta wynosi 100 g) oraz masę substancji rozpuszczonej bądź rozpuszczalnika. Następnie masę substancji rozpuszczonej należy podzielić przez masę roztworu, a całość pomnożyć przez 100%. Drugim rozwiązaniem jest ułożenie prostej proporcji, gdzie masa roztworu = 100%, natomiast masa substancji rozpuszczonej to x%.
Dlaczego wystarczy znać tylko jedną z tych wielkości? Wynika to z faktu, że jeśli odejmie się masę rozpuszczalnika od masy roztworu, to wynikiem tego działania jest masa substancji rozpuszczonej. Częstym błędem podczas obliczania stężenia procentowego roztworu jest posługiwanie się różnymi wielkościami fizycznymi, czyli zestawianie ze sobą np. masy (substancji rozpuszczonej) i objętości rozpuszczalnika. Należy więc pamiętać o stosowaniu jednakowych wielkości fizycznych. Najprostszym sposobem na to jest zamiana objętości rozpuszczalnika na jego masę, do czego będzie potrzebna znajomość gęstości rozpuszczalnika. Poniżej przedstawiamy pomocniczą tabelę gęstości i temperatury wrzenia dla najpopularniejszych z nich:
|
Rozpuszczalnik |
Temperatura wrzenia [℃] |
Gęstość [g/cm3] |
|
Heksan |
69 |
0,655 |
|
Benzen |
80 |
0,879 |
|
Toluen |
111 |
0,867 |
|
Eter dietylowy |
35 |
0,713 |
|
Chloroform |
61 |
1,498 |
|
Octan etylu |
77 |
0,894 |
|
Tetrahydrofuran (THF) |
66 |
0,886 |
|
Chlorek metylenu |
40 |
1,326 |
|
Aceton |
56 |
0,786 |
|
Acetonitryl (MeCN) |
82 |
0,786 |
|
Dimetyloformamid (DMF) |
153 |
0,944 |
|
Dimetylosulfotlenek (DMSO) |
189 |
1,092 |
|
Kwas octowy |
118 |
1,049 |
|
n-Butanol |
118 |
0,810 |
|
Izopropanol |
82 |
0,785 |
|
n-Propanol |
97 |
0,803 |
|
Etanol |
79 |
0,789 |
|
Metanol |
65 |
0,791 |
|
Woda |
100 |
0,998 |
Wzór na masę substancji i roztworu
Jeśli powyższe rozwiązanie sprawia Ci trudność, możesz posłużyć się gotowym wzorem na stężenie procentowe roztworu. Wzór na stężenie procentowe roztworu wygląda następująco:
Cp= (ms/mr)*100%,
gdzie Cp to stężenie procentowe roztworu, ms to masa substancji rozpuszczanej, natomiast mr - masa całego roztworu.
Znając natomiast stężenie procentowe roztworu, można przekształcić wyżej opisany wzór, aby uzyskać informacje o masie substancji rozpuszczonej bądź masie roztworu. Otrzyma się wtedy kolejno:
- wzór na masę substancji: ms = (Cp*mr)/100%,
- wzór na masę roztworu: mr = (ms*100%)/Cp.
Przy korzystaniu z gotowych wzorów należy również pamiętać o stosowaniu tych samych jednostek. Po skończonych obliczeniach warto zawsze wykonać rachunek jednostek, aby upewnić się, że wszystko zostało wykonane prawidłowo.
Stężenie procentowe – zadania przykładowe
Poniżej przedstawiamy kilka przykładowych obliczeń, dzięki którym możesz krok po kroku prześledzić cały proces i wykonać swój roztwór, o określonym stężeniu, analogicznie.
Przykład 1:
Jak przygotować 37% roztwór chlorku sodu w wodzie, aby otrzymać 400 g roztworu?
- Pierwszy krok to określenie gęstości rozpuszczalnika. Gęstość wody wynosi w przybliżeniu 1 g/ml. Na tej podstawie możemy ustalić, że 1 ml wody ma masę dokładnie 1 g.
- Drugi krok to określenie masy substancji rozpuszczonej w całym roztworze. Możemy zrobić to na dwa sposoby:
1. korzystając z proporcji:
400 g (masa całego roztworu) – 100%
x (masa substancji rozpuszczonej) – 37%
Aby określić wartość „x”, należy pomnożyć 400 g przez 37%, a następnie podzielić wynik przez 100%.
(400*37)/100 = 148, następnie wykonujemy rachunek jednostek [(g*%)/% = g].
Otrzymany wynik zapisujemy więc w jednostce masy – gram.
2. korzystając ze wzoru na masę substancji:
ms = (Cp*mr)/100%,
ms = (37%*400 g)/100%
ms = 148 g
Jak można zauważyć, w obu przypadkach otrzymujemy taki sam wynik.
3. Trzeci krok to określenie masy rozpuszczalnika użytego do sporządzenia roztworu.
Znając masę rozpuszczonej substancji, wystarczy odjąć tę wartość od masy roztworu:
400 g - 148 g = 252 g
Otrzymany wynik jest masą użytego rozpuszczalnika.
Aby przygotować 400 g 37% roztworu, należy więc rozpuścić 148 g chlorku sodu w 252 g wody.
Przykład 2:
Jakie stężenie procentowe będzie miał roztwór po rozpuszczeniu 40 g wodorotlenku sodu w 150 ml metanolu?
1. Analogicznie, ustalamy gęstość rozpuszczalnika. Gęstość metanolu wynosi 0,79 g/ml. To zadanie jest trochę bardziej skomplikowane niż w poprzednie – należy obliczyć masę 150 ml metanolu. Gęstość jest to masa podzielona przez objętość, więc masa metanolu to iloczyn jego gęstości i objętości.
0,79 g/ml * 150 ml = 118,5 g
- Otrzymaną masę rozpuszczalnika należy zsumować z masą substancji rozpuszczonej.
Wynik tego działania to masa roztworu.
118,5 g + 40 g = 168,5 g
2. Stężenie procentowe wyliczamy, korzystając z jednego lub (dla pewności) obu sposobów:
a) z proporcji:
168,5 g (masa roztworu) - 100%
40 g (masa substancji rozpuszczonej) - x
(40 g*100%)/168,5 g = 23,7%
x = 23,7%
Stężenie procentowe otrzymanego roztworu wynosi 23,7%
b) ze wzoru:
Cp= (ms/mr)*100%
(40 g/168,5 g)*100% = 23,7%
Przykład 3:
Ile wody należy dolać do 120 ml 50% wodnego roztworu siarczanu (VI) miedzi (II), o gęstości 1 g/ml, aby otrzymać stężenie procentowe = 30%?
1. W tym przypadku musimy w pierwszej kolejności obliczyć, jaka masa soli stanowi 50% masy roztworu.
120 ml wodnego roztworu = 120 g
120 g - 100%
x - 50%
x = (120 g*50%)/100%
x= 60 g
2. Następnie obliczamy, w jakiej masie 60 g stanowi 30% składu.
60 g - 30%
x - 100%
x = (60 g*100%)/30%
x = 200 g
Masa docelowego roztworu wynosi więc 200 g.
3. Wiedząc, jaka jest masa 30% roztworu, należy od masy docelowego roztworu odjąć masę roztworu wyjściowego.
200 g - 120 g = 80 g
Wiedząc, że gęstość wody wynosi 1 g/ml, przekształcamy masę na objętość i otrzymujemy odpowiedź.
Do 120 ml 50% roztworu, należy dodać 80 ml wody, aby otrzymać roztwór 30%.
Praca w laboratorium – trening czyni mistrza
Wiesz już, jak obliczyć stężenie procentowe roztworu i masę substratów konieczną do jego uzyskania. Mamy nadzieję, że zdobyta wiedza pomoże Ci przygotowywać odpowiednie roztwory w swojej pracowni laboratoryjnej. Powodzenia!