【Ei enää sekaannuksia!】 Kemian resepti massaprosenttipitoisuuden ja molaarisuuden helppoon muuntamiseen (Normaliteetti N · ppm)

Olen tiedekouluttaja Ken Kuwako. Jokainen päivä on kokeilu.

Oletko koskaan miettinyt, paljonko on ”suolaa ripaus”, kun luet ruokaohjetta? Kemian maailmassa on itse asiassa monia tapoja ilmaista ”väkevyys”, ja tiedemiehet käyttävät niitä tilanteen mukaan. Tällä kertaa sukellamme kahden ”väkevyyden” yksikön, koulun kokeista tutun massaprosenttipitoisuuden ja ammattimaisemman moolitilavuuspitoisuuden, väliseen maailmaan. Kun osaat nämä laskut, kemian maailma tuntuu heti paljon läheisemmältä ja kokeet ovat hauskempia ja turvallisempia!

Löydät ohjeet laimentamiseen täältä.

塩酸・硫酸・アンモニア・塩化銅の希釈の方法（希釈の基本を押さえよう！～薬品の正しい使い方と授業準備～）

Pitoisuuden perusteet: ymmärrä yksiköiden erot

Koulukirjoissa käytetään usein massaprosenttipitoisuutta, mutta laboratorion oppaissa ja tieteellisissä julkaisuissa moolitilavuuspitoisuus on yleisempi. Hallitsemalla näiden kahden yksikön muuntamisen olet valmis kaikkeen. Laskin kädessä on aina turvallista ja kätevää!

Perusajatus on sama molemmissa pitoisuuksissa.

Liuenneen aineen määrä ÷ koko liuos

Ainoa ero on niiden ”yksiköissä”. Massaprosenttipitoisuudessa käytetään massaa (g).

Liuenneen aineen massa (g) ÷ liuoksen massa (g)

Moolitilavuuspitoisuudessa puolestaan keskitytään hiukkasten määrään käyttäen mooleja (mol) ja tilavuutta (L).

Liuenneen aineen määrä (mol) ÷ liuoksen tilavuus (L)

Muunnetaan seuraavaksi 2 mol/L suolahappoa massaprosenttipitoisuudeksi. Tämän sivun pikataulukon mukaan 2 mol/L suolahappo on noin 7-prosenttista. Tarkistetaan laskemalla, pitääkö se paikkansa!

Käytäntöön! Moolitilavuuspitoisuudesta massaprosenttipitoisuuteen

Ensin kerätään laskentaan tarvittavat tiedot. Suolahapon (HCl) molekyylipaino: Lisätään atomien painot yhteen. Vety (H) on 1 ja kloori (Cl) on 35,5, joten 1 + 35,5 = 36,5. Suolahapon (2 mol/L) tiheys: Tietojen mukaan se on 1,03 g/cm³. Tämä tarkoittaa, että 1 cm³ painaa 1,03 g.

Otetaan laskentaan referenssiksi 1 L liuosta.

Liuenneen aineen määrä: 2 mol ⟶ 2 × 36,5 = 73 g

Liuos: 1 L = 1000 cm³ ⟶ 1000 × 1,03 g/cm³ = 1030 g

Olemme saaneet selville, että 1 L:aan liuosta (1030 g) on liuennut 73 g vetykloridia. Sijoitetaan tämä massaprosenttipitoisuuden kaavaan…

73 (g) ÷ 1030 (g) = 0,070… eli noin 7 %!

Tulos osuu hienosti yksiin pikataulukon arvon kanssa!

Kokeillaan toisin päin! Massaprosenttipitoisuudesta moolitilavuuspitoisuuteen

Nyt yritämme kääntää laskutoimituksen. Kun muunnat yksiköt yksi kerrallaan, pääset takaisin alkuun. Otetaan esimerkiksi 7 % suolahappo, jonka tiheys on 1,03 g/mL, ja lasketaan sen moolitilavuuspitoisuus. Avain tähän on selvittää, kuinka monta moolia liuenneen aineen määrää on liuennut 1 L:aan liuosta.

Ensin lasketaan 1 L liuoksen paino.

Liuos 1 L = 1000 mL ⟶ 1000 mL × 1,03 g/mL = 1030 g

Koska tästä 7 % on liuenneen aineen massaa,

Liuenneen aineen massa 1030 g × 0,07 = 72,1 g

Lopuksi, muunnetaan liuenneen aineen massa mooleiksi. Kun se jaetaan vetykloridin molekyylipainolla 36,5, saadaan

72,1 (g) ÷ 36,5 (g/mol) ≒ 1,97 (mol)

Koska 1 L:aan liuosta on liuennut 1,97 moolia, pitoisuus on noin 2 mol/L. Tulos on täydellinen!

Kätevät laskurit

Suolahapolle ja natriumhydroksidille, joita käytetään usein, näyttää olevan olemassa pitoisuusmuunnosohjelmia. Voit käyttää niitä tarkistukseen.

https://keisan.casio.jp/menu/person/TaikiIkekame

Esimerkiksi suolahapon osalta voit kirjoittaa sivulle ”7 %” ja se antaa tarkan arvon ”1,981 mol/L”.

https://keisan.casio.jp/exec/user/1480248881

【Tietoisku ①】 Mikä on suolahapon ja vetykloridin ero?

Nämä kaksi sekoitetaan usein, mutta ”vetykloridi (HCl)” on huoneenlämmössä kaasu. ”Suolahappo” on sen veteen liuennut muoto (vesiliuos). Itse asiassa mahassamme olevan mahahapon pääainesosa on suolahappo, joka auttaa sulattamaan ruokaa. Huomaa, että ”vetykloridi HCl” ei missään nimessä ole sama kuin ”kloori Cl”.

【Tietoisku ②】 Mikä on normaliteetti (N)?

On olemassa myös yksikkö nimeltä ”normaliteetti (N)”. Se saadaan kertomalla moolitilavuuspitoisuus kyseisen hapon tai emäksen ”voiman numerolla” eli ekvivalenttiluvulla. Esimerkiksi suolahapon (HCl) ekvivalenttiluku on 1, joten 1 mol/L vastaa 1 N. Toisaalta rikkihapon (H₂SO₄) ekvivalenttiluku on 2, joten 1 mol/L on 2 N. Se on kätevä yksikkö, kun halutaan vertailla happojen ja emästen reaktiivisuutta intuitiivisesti. Lisätietoja löydät täältä.

【Tietoisku ③】 Paljonko on ppm?

”ppm” on lyhenne sanoista ”parts per million”, eli ”miljoonasosa”. Siinä missä prosentti on sadasosa, ppm on miljoonasosa. Sitä käytetään ilmaisemaan hyvin pieniä pitoisuuksia.

Liuenneen aineen massa (mg) / liuoksen massa (kg)

1 ppm tarkoittaa, että 1 kg:ssa (1000 g) liuosta on liuennut vain 1 mg liuenneen aineen määrää.

Kuinka pieni tämä oikeastaan onkaan…

• Vain 1 g tonnin painossa
• Vain 1 euro senttiä miljoonaan euroon verrattuna
• Kuulin eräässä seminaarissa, että vuoden alussa lähetettävien uuden vuoden postikorttien pääpalkinnon voittamisen todennäköisyys on noin 1 ppm! (Tarkistin asian)

Näin ajateltuna voi todella ymmärtää, kuinka uskomattoman pienestä suhteesta on kyse.

Harjoitustehtävä: Muunnetaan natriumhydroksidilla

Lopuksi harjoitellaan natriumhydroksidilla. Muunnetaan 2-prosenttinen natriumhydroksidiliuos moolitilavuuspitoisuudeksi. Tämän taulukon mukaan tiheys on 1,02 g/mL (koska artikkelin 1,03 g/mL arvo on suolahapolle). Vastauksen pitäisi olla 0,51 mol/L.

Lasketaan ensin 1 L liuoksen massa.

1000 mL × 1,02 g/mL = 1020 g

Koska 2 % tästä on liuenneen aineen määrä,

1020 g × 0,02 = 20,4 g

Muunnetaan tämä mooleiksi. Natriumhydroksidin (NaOH) molekyylipaino on 40, joten

20,4 g / 40 (g/mol) = 0,51 mol

Ja koska se on 0,51 mol per 1 L, moolitilavuuspitoisuus on 0,51 mol/L. Hienosti se täsmää taulukon arvoon!
Tämä laskuri antaa saman tuloksen.

Natriumhydroksidin pitoisuusmuunnin: https://keisan.casio.jp/exec/user/1480256880

Viitteet

Suolahappo, jota käytetään paljon kouluissa, on kätevä laimentaa väkevästä suolahaposta. Esimerkiksi 10-prosenttisen suolahapon valmistamiseksi, väkevään suolahappoon suhteessa 1:3,2 lisätään vettä. Jos kaikki 500 cm³ väkevää suolahappoa halutaan muuntaa 10-prosenttiseksi, se pitäisi laimentaa 1600 cm³ vedellä, ja se on hyvä säilyttää esimerkiksi 3 litran polyeteenisäiliössä (amazon).

Polyeteenisäiliö 3L 250g Hinta: 935 jeniä (sis. verot, sis. toimitus) (2022/10/21)

Yhteydenotot ja tiedustelut

Haluan tehdä tieteen ihmeistä ja hauskuudesta helpommin lähestyttäviä! Olen koonnut tänne yksinkertaisia ja hauskoja tiedekokeita, joita voi tehdä kotona. Etsi lisää tietoa!
・Tietoa minusta, Ken Kuwakosta, löydät täältä
・Erilaisia tiedusteluja (kirjoittaminen, luennot, tiedekerhot, TV-konsultointi, esiintyminen jne.) varten ota yhteyttä täällä
・Päivitän uusia artikkeleita X:ssä!

Tieteen temppukanava jakaa kokeiluvideoita!