Насыщенные растворы применяют сравнительно редко. В большинстве случаев пользуются ненасыщенными растворами, содержащими меньше растворенного вещества, чем его содержит при данной температуре насыщенный раствор. При этом растворы с низким содержанием растворенного вещества называются разбавленными, с высоким — концентрированными.
Состав раствора (и, в частности, содержание в нем растворенного вещества) может выражаться разными способами — как с помощью безразмерных единиц (долей или процентов), так и через размерные величины — концентрации. В химической практике наиболее употребительны следующие величины, выражающие содержание растворенного вещества в растворе:
1. Массовая доля — отношение (обычно — процентное) массы растворенного вещества к массе раствора. Например, 15 % (масс.) водный раствор хлорида натрия — это такой раствор, в 100 единицах массы которого содержится 15 единиц массы NaCl и 85 единиц массы воды.
2. Молярная доля — отношение количества растворенного вещества (или растворителя) к сумме количеств всех веществ, составляющих раствор. В случае раствора одного вещества в другом молярная доля растворенного вещества (N2) равна
$$N_2 = n_2/(n_1 + n_2)$$
а молярная доля растворителя (N1)
$$N_1 = n_1/(n_1 + n_2)$$
где n1 и n2 — соответственно количества вещества растворителя и растворенного вещества.
3. Молярная концентрация, или молярность — отношение количества растворенного вещества к объему раствора. Обычно молярность обозначается Cм или (после численного значения молярности) M. Так, 2M H2SO4 означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 моля серной кислоты, т. е. Cм = 2 моль/л.
4. Моляльная концентрация, или моляльность — отношение количества растворенного вещества к массе растворителя. Обычно моляльность обозначается буквой m. Так, для раствора серной кислоты запись m = 2 моль/кг (H2O) означает, что в этом растворе на каждый килограмм растворителя (воды) приходится 2 моля H2SO4. Моляльность раствора в отличие от его молярности не изменяется при изменении температуры.
5. Эквивалентная, или нормальная концентрация — отношение числа эквивалентов растворенного вещества к объему раствора. Концентрация, выраженная этим способом, обозначается Cн или (после численного значения нормальности) буквой н. Так, 2 н. H2SO4 означает раствор, в каждом литре которого содержится 2 эквивалента серной кислоты, т. е. Cн(½H2SO4) = 2 моль/л.
Пользуясь растворами, концентрация которых выражена нормальностью, легко заранее рассчитать, в каких объемных отношениях они должны быть смешаны, чтобы растворенные вещества прореагировали без остатка. Пусть V1 л раствора вещества 1 с нормальностью N1 реагирует с V2 л раствора вещества 2 с нормальностью N2. Это означает, что в реакцию вступило N1V1 эквивалентов вещества 1 и N2V2 эквивалентов вещества 2. Но вещества реагируют в эквивалентных количествах, следовательно
$$V_1N_1 = V_2N_2$$
или
$$V_1 : V_2 = N_2 : N_1$$
Таким образом, объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны их нормальностям.
На основании этой зависимости можно не только вычислять требуемые для проведения реакций объемы растворов, но и обратно, по объемам затраченных на реакцию растворов находить их концентрации.
Пример 1
Сколько миллилитров 0,3 н. раствора хлорида натрия надо прибавить к 150 мл 0,16 н. раствора нитрата серебра, чтобы осадить все находящееся в растворе серебро в виде хлорида серебра?
Подставляя данные задачи в последнее уравнение, получим:
$$150/V_2 = 0{,}3/0{,}16, \qquad \text{откуда} \qquad V_2 = 0{,}16 \cdot 150/0{,}3 = 80\ \text{мл}$$
Пример 2
Для нейтрализации 40 мл раствора серной кислоты потребовалось прибавить к ним 24 мл 0,2 н. раствора щелочи. Определить нормальность взятого раствора H2SO4.
Обозначив неизвестную нормальность раствора серной кислоты через x, получим:
$$40 : 24 = 0{,}2 : x, \qquad \text{откуда} \qquad x = 24 \cdot 0{,}2/40 = 0{,}12\ \text{н.}$$