Rambler's Top100


logo














 

Калькулятор CO2

 

  АКВАРИУМНАЯ ГИДРОХИМИЯ
Аквариумная гидрохимия

Измерение концентрации ионов в воде

Моль, число Авогадро, миллимоль, миллиграмм-эквивалент (мг-экв/л), нормальность раствора, природная вода, как раствор солей и анализ его состава методом титрования

Зачем нужна вся эта писанина объяснено здесь.

     Химиками для обозначения количества вещества принята специальная единица измерения, называемая молем. Удобство использования моля в том, что он всегда означает одинаковое количество вещества по числу атомов или молекул, независимо от массы самих частиц. (Ниже изложены и некоторые теоретические положения, связанные с понятием моль и важная в практическом плане информация. Тот, кто не хочет вникать в теорию, может её перескочить).
     Моль - количество вещества, содержащее столько молекул, либо атомов, либо ионов, либо других структурных единиц из которых это вещество состоит, сколько содержится атомов в 12 г изотопа углерода 12С. В 12 г этого изотопа содержится 6.0221367×1023 атомов. Один моль вещества, состоящего из молекул, включает в себя 6.0221367×1023 молекул, если вещество имеет атомарное строение (например какой-либо металл), то один моль такого вещества будет включать в себя 6.0221367×1023 атомов. При растворении соли в воде молекулы диссоциируют на ионы и все будет выглядеть уже чуть сложнее: один моль растворенной соли, скажем, хлорида кальция (CaCl2) даст один моль ионов кальция (Ca2+) и два моля ионов хлора (Cl-), то есть 12.0442734×1023 ионов, ведь одна молекула хлорида кальция растворившись даст два иона хлора.
     6.0221367×1023 это особое число структурных единиц вещества (атомов, молекул, ионов) используемое для измерения количества вещества в молях. Оно называется числом Авогадро, в честь итальянского физика Амедео Авогадро.
     Теперь выясним какова масса одного моля вещества, или мольная масса? В настоящее время принята единая шкала относительных атомных масс. Атомной единицей массы (а.е.м.) является 1/12 массы атома углерода. В а.е.м. указана масса элементов в таблице Менделеева. Относительной молекулярной массой (сокращенно молекулярной массой) простого или сложного вещества называют отношение массы его молекулы к 1/12 части атома 12С. На практике, поскольку масса любой молекулы равна сумме масс составляющих ее атомов, молекулярная масса, рассчитывается как сумма атомных масс этих атомов.
     Известно, что а.е.м. равна 1.66×10-24 г. Отсюда можно подсчитать какова же масса моля кого-либо вещества в граммах. Для этого надо число Авогадро умножить на численное значение а.е.м. в граммах и на молекулярную массу этого вещества, либо на массу той элементарной единицы, из которых данное вещество состоит (обозначим эту величину N а.е.м.):

1.66×10-24 × 6.0221367×1023 × N а.е.м. = 0.999674576 × N а.е.м.

     По сути дела получается, причем не только из этих расчетов, но и исходя из всех приведенных выше определений*, что мольная масса =1×N а.е.м., то есть мольная масса вещества выраженная в граммах, имеет то же численное значение, что и его относительная молекулярная (атомная) масса. Проще говоря, масса моля - это количество граммов вещества, численно равное его молекулярной (атомной) массе.

     Если количество вещества можно выразить в молях, то и концентрацию тоже можно. Концентрация, представленная как количество вещества на единицу объема - моль/дм3 (моль/л), называется молярной. В науках об окружающей среде такой способ выражения концентрации вещества используется очень часто.
     В пресных водах концентрации растворенных веществ относительно невелики, поэтому имеет смысл применять единицу измерения количества вещества в 1000 раз меньшую чем моль. Эта единица называется миллимоль, сокращенно пишется как "ммоль/л", "мМ/л". В случае очень низких концентраций используется величина в 1000000 раз меньшая моля: "мкмоль/л", или "мкМ/л".
     Природные воды всегда содержат растворенные минеральные соли, которые диссоциированы на ионы: катионы (заряжены положительно) и анионы (заряжены отрицательно). Например, следующие обычные для природных вод соли растворяясь дают следующие ионы:

Гидрокарбонат кальция Са(НСО3)2 диссоциирует на катион Са2+( а.е.м. = 40, соответственно масса 1 моля ионов кальция = 40 г) и два аниона НСО3- (молекулярная масса 61, один моль ионов гидрокарбоната имеет массу 61 г);

Хлорид натрия NaCl диссоциирует на катион Na+ (а.е.м. = 23, масса одного моля = 23 г) и анион Cl - (а.е.м. = 35.5, один моль хлорид-ионов имеет массу 35.5 г);

Сульфат магния MgSO4 диссоциирует на катион Mg2+ (а.е.м. = 24, масса одного моля = 24 г) и анион SO42- (молекулярная масса сульфат-иона 96, один моль имеет массу 96 г);

Нитрат калия KNO3 диссоциирует на катион K+ (а.е.м. = 39, масса одного моля = 39 г) и анион NO3- (молекулярная масса нитрат-иона 62, масса одного моля 62 г).

     После растворения соли присутствуют в воде только в виде анионов и катионов. Наличие заряженных частиц придает воде свойство электропроводности. Сам раствор остается электронейтральным, в нем сохраняется суммарное равенство отрицательных и положительных зарядов. При этом число и масса анионов и катионов могут быть не равными друг другу, ведь они различаются по молекулярной массе и заряду (валентности).
     Чтобы записать это равенство, необходимо все привести так сказать к "общему знаменателю", а именно, найти способ выразить одинаковое количество вещества по числу зарядов, иными словами, измерить концентрацию различных ионов в единицах, которые бы учитывали и их молекулярную массу и электрический заряд. Такой единицей является грамм-эквивалент на литр раствора (г-экв/л), или частное от деления массы 1 моля какого-либо иона на величину электрического заряда (валентности) данного иона.
     Например, грамм-эквивалент иона кальция (Са2+) рассчитывают так: 40:2=20 г/л, гидрокарбонатного иона (НСО3-) - 61:1=61 г/л. Можно рассчитать грамм-эквивалент молекулы гидрокарбоната кальция в целом. Эквивалентная масса** соли равна ее мольной массе, деленной на сумму валентностей всех атомов металла, входящих в данную соль. В гидрокарбонат кальция входит один атом металла (кальция), валентность которого равна двум, поэтому: (40+2×61):2=81 г/л. Вообще-то эквивалентная масса соли всегда равна сумме численных величин массы грамм-эквивалентов тех ионов, на которые диссоциирует данная соль, в нашем случае: (20+61=81).
     Раствор называют нормальным, если в одном его литре содержится один грамм-эквивалент растворенного вещества. Тогда концентрацию записывают как "1н раствор". Часто используют 0.01н и 0.05н концентрации растворов.
     Выражение концентрации в г-экв/л - очень удобно при выполнении анализа пробы воды по той причине, что вещества взаимодействуют друг с другом в количествах, пропорциональных массе их эквивалентов. Причем эквивалент одного вещества без остатка реагирует с эквивалентом другого. "ЭКВИВАЛЕНТНЫЙ" - в переводе означает "РАВНОЦЕННЫЙ". На этом принципе основаны методы количественного анализа с помощью титрования растворами, нормальность которых (концентрация в г-экв/л) заранее известна. Титрование по расходу таких растворов позволяет определить сколько же эквивалентов определяемого вещества вступило в реакцию. Умножив эту величину на массу эквивалента определяемого вещества можно узнать его концентрацию в воде. В частности, таковыми методами являются многие продаваемые в зоомагазинах капельные тесты, а также описанные на нашем сайте тесты для определения общей и карбонатной жесткости воды, которые вполне можно научиться делать самостоятельно!!!
     В аквариумистике и водоочистке часто используют величину в 1000 раз меньшую грамм-эквивалента. Эта величина называется миллиграмм-эквивалент (мг-экв/л). Она больше всего подходит для выражения тех невысоких концентраций растворенных солей, которые характерны для пресных вод.
     Важное преимущество представления содержания в воде растворенных веществ в мг-экв/л состоит в том, что оно позволяет быстро проверять точность лабораторного анализа пробы воды. Рассмотрим в качестве примера результаты анализа состава воды двух рек - Невы и Оби, приведенные следующей таблице:

Ионный состав вод двух рек

Название образца Ca+Mg Na+K HCO3 Cl SO4 NO3
река Нева 0.56 0.13 0.3 0.09 0.12 0.09
река Обь 5.1 0.1 5.0 0.02 0.16 0.02

Единицы измерения - мг-экв/л.
Использованы материалы сайта http://novedu.chat.ru

     Суммарные концентрации, выраженные в мг-экв/л для катионов и анионов должны совпадать или же быть близкими (иначе принцип электронейтральности раствора будет нарушен), если этого нет, значит анализ проведен некорректно. Так, в приведенной выше таблице для реки Невы, суммарное содержание катионов составляет 0.69 мг-экв/л, а анионов 0.60 мг-экв/л. Это хорошее соответствие для подобных анализов, но, возможно, какие-то анионы (ведь именно их меньше!) не были определены, или концентрации тех, что приведены в таблице установлены не совсем точно. С другой стороны, возможно, несколько завышено количество катионов, а с анионами все в порядке. В любом случае, результаты такого анализа - повод для раздумий. Но в примере с Обью, суммы концентраций анионов и катионов совпадают идеально - это точный анализ. Вот почему очень неудобно определение жесткости воды в градусах (немецких, французских, американских, английских), чтобы хоть что-то можно было сравнивать - все приходиться пересчитывать. Впрочем жесткость воды - другая история.

В. Ковалёв, кандидат биологических наук.

     Несколько слов в оправдание автора:
     Зачем на развлекательном по своей сути сайте размещать подобные не слишком легкие для чтения тексты, к тому же не совсем точно (чтобы их все же можно было читать) списанные с учебников?
     Если бы можно было без всего этого обойтись, то всем (и бедным рыбкам тоже) было бы жить легче. Но увы! В аквариумистике без знаний основ гидрохимии - никуда. 90% рыбьих невзгод связано именно с неблагоприятными условиями жизни в аквариумах, где этим бедолагам угораздило оказаться. Надеяться, что дорогое и "умное" оборудование за вас все сделает категорически нельзя! Я это ясно осознал, как только заработал наш форум. Подчас объяснить человеку в двух словах, что именно у него плохо в аквариуме ну никак не выходит. Для начала ему бы не мешало прочитать эту да и другие странички по аквариумной гидрохимии. Вот я и взялся их писать, хотя конечно же рассказывать о рыбках куда увлекательнее.
К началу статьи.

 

* Я не обладаю большими способностями к абстрактному мышлению и потому мне не показалось, что это очевидным образом следует и из приведенных определений (а именно так пишут в большинстве учебников), поэтому просто взял и посчитал - все вышло как надо, ну и слава Богу!
Вернуться к тексту

** Эквивалентная масса кислоты равна ее мольной массе, деленной на основность (количество атомов водорода) кислоты. Эквивалентная масса основания равна его мольной массе, деленной на валентность металла, образующего основание. Надо было привести и эти определения - мало ли кому понадобятся?
Вернуться к тексту


Наверх   На Главную страницу

Rambler's Top100      Рейтинг@Mail.ru     

Аквариум. Современная Аквариумистика.
Правообладатель: Живая Вода®   Любые способы полного или частичного копирования и публикации данного текста и иллюстраций без письменного разрешения администрации интернет-ресурса vitawater.ru запрещены.

   © Живая Вода, 2001-2016 гг.   @webmaster

Реклама