Molaliteettilaskuri

Molaliteettilaskuri määrittää liuoksen pitoisuuden liuenneen aineen mooleina liuottimen kilogrammaa kohti. Tätä yksikköä kemistit kutsuvat molaliteetiksi. Laskuri tarvitsee kolme syöttötietoa: liuenneen aineen massan, liuottimen massan ja liuenneen aineen moolimassan. Tulos näytetään yksikössä mol/kg neljän desimaalin tarkkuudella.

Mitä molaliteetti on?

Molaliteetti (tunnus m) ilmaisee, kuinka monta moolia liuennutta ainetta eli soluuttiainetta on yhdessä kilogrammassa ainetta, johon se on liuennut eli liuotinta. Se vastaa yksinkertaiseen kysymykseen: kuinka monta moolia liuennutta ainetta on kussakin liuottimen kilogrammassa?

$m = \frac{n_{solute}}{m_{solvent}}$

Tässä $n_{solute}$ on liuenneen aineen ainemäärä mooleina ja $m_{solvent}$ on liuottimen massa kilogrammoina.

Molaliteetissa otetaan huomioon vain liuottimen massa, ei valmiin liuoksen kokonaismassaa. Jos 5,85 g ruokasuolaa (NaCl, moolimassa 58,5 g/mol) liukenee 100 g:aan (0,1 kg) vettä, liuoksessa on 0,1 mol suolaa 0,1 kg:ssa vettä. Molaliteetti on tällöin 1,0 mol/kg, vaikka liuoksen yhteenlaskettu massa on 105,85 g.

Molaliteetti ei muutu lämpötilan mukaan, koska se perustuu massaan eikä tilavuuteen. Nesteet laajenevat hieman lämmitettäessä ja kutistuvat jäähtyessään, joten molaarisuus (liuoksen litraa kohti laskettu ainemäärä mooleina) muuttuu lämpötilan mukaan. Molaliteetti pysyy vakiona, minkä vuoksi se on vakiintunut yksikkö jäätymis- ja kiehumispistettä koskevissa tutkimuksissa.

Molaliteetin kaava

Kemistit harvoin määrittävät ainemäärää laskemalla molekyylejä suoraan, vaan punnitsevat aineet. Liuenneen aineen ainemäärä mooleina saadaan jakamalla sen massa moolimassalla, joten käytännön kaava on:

$m = \frac{m_{solute} / M_{solute}}{m_{solvent}}$

• $m_{solute}$ — punnitun liuenneen aineen massa grammoina
• $M_{solute}$ — liuenneen aineen moolimassa yksikössä g/mol, joka saadaan jaksollisesta järjestelmästä
• $m_{solvent}$ — liuottimen massa kilogrammoina

Molaliteetin laskeminen

1. Punnitse liuennut aine. Merkitse sen massa grammoina, kilogrammoina tai milligrammoina. Laskuri hyväksyy kaikki kolme yksikköä ja muuntaa ne.
2. Tarkista liuenneen aineen moolimassa jaksollisesta järjestelmästä yksikössä g/mol. Jos kyseessä on hydraatti, kuten CuSO₄·5H₂O, sisällytä vesimolekyylien massa kokonaismäärään.
3. Punnitse pelkkä liuotin ennen sekoittamista, älä jälkikäteen valmistunutta liuosta.
4. Muunna molemmat massat yhteensopiviin yksiköihin: liuenneen aineen massa grammoiksi ja liuottimen massa kilogrammoiksi. Laskuri tekee tämän itse kunkin massakentän vierestä valitun yksikön perusteella.
5. Jaa liuenneen aineen massa sen moolimassalla, jotta saat liuenneen aineen ainemäärän mooleina.
6. Jaa liuenneen aineen ainemäärä liuottimen massalla kilogrammoina, jotta saat molaliteetin yksikössä mol/kg.

Yleiset virheet

• Liuoksen massan käyttäminen liuottimen massan sijaan. Kun punnitaan 100 g vettä ja lisätään siihen 10 g suolaa, saadaan 110 g liuosta. Molaliteetin laskennassa käytetään silti vain 100 g:aa vettä.
• Hydraatioveden sivuuttaminen. CuSO₄·5H₂O:n moolimassa on 249,7 g/mol, ei vedettömän CuSO₄:n moolimassaa 159,6 g/mol.
• Grammojen ja kilogrammojen sekoittaminen. Jos liuottimen massaksi syötetään 500 eikä 0,5 kg, tulos poikkeaa kertoimella 1000.
• Liian aikainen pyöristäminen. Säilytä ylimääräiset numerot liuenneen aineen ainemäärää laskettaessa ja pyöristä vasta lopullinen tulos.

Esimerkki: Molaliteetin laskeminen

Tehtävä. Määritä liuoksen molaliteetti, kun 10 g natriumkloridia (NaCl, moolimassa 58,44 g/mol) liuotetaan 500 g:aan vettä.

1. Muunna liuottimen massa kilogrammoiksi: 500 g = 0,5 kg.
2. Määritä liuenneen aineen ainemäärä: 10 g ÷ 58,44 g/mol = 0,1711 mol.
3. Määritä molaliteetti: 0,1711 mol ÷ 0,5 kg = 0,3422 mol/kg.

Esimerkki: Milligrammoilla työskentely

Tehtävä. Määritä liuoksen molaliteetti, kun 25 mg glukoosia (C₆H₁₂O₆, moolimassa 180,16 g/mol) liuotetaan 15 g:aan vettä.

1. Muunna liuenneen aineen massa grammoiksi: 25 mg = 0,025 g.
2. Muunna liuottimen massa kilogrammoiksi: 15 g = 0,015 kg.
3. Määritä liuenneen aineen ainemäärä: 0,025 g ÷ 180,16 g/mol ≈ 0,0001388 mol.
4. Määritä molaliteetti: 0,0001388 mol ÷ 0,015 kg ≈ 0,0093 mol/kg.

Molaliteetti ja molaarisuus

Molaliteetti ja molaarisuus kuulostavat samankaltaisilta, mutta ne mittaavat eri asioita. Molaliteetti saadaan jakamalla liuenneen aineen ainemäärä liuottimen kilogrammoilla. Molaarisuus saadaan jakamalla liuenneen aineen ainemäärä koko liuoksen litroilla. Koska nesteen tilavuus muuttuu lämpötilan mukaan ja molaarisuus riippuu tilavuudesta, liuoksen molaarisuus muuttuu hieman sen lämmetessä tai jäähtyessä, kun taas molaliteetti pysyy samana. Laimeissa vesipohjaisissa liuoksissa huoneenlämpötilassa arvot ovat usein lähellä toisiaan, mutta ne eivät ole identtiset eikä niitä pidä vaihtaa toisikseen tarkistamatta.

Kun liuoksen tiheys tunnetaan, niiden välillä voidaan muuntaa likimääräisesti seuraavasti:

$Molarity = \frac{Molality \times \rho}{1 + (Molality \times M_{solute} / 1000)}$

jossa $\rho$ on liuoksen tiheys yksikössä g/mL.

Miksi kemistit käyttävät molaliteettia?

Molaliteettia käytetään aina, kun kokeen aikana tapahtuu lämpötilan muutoksia. Jäätymispisteen alenemisessa, jossa liuoksen jäätymispiste laskee puhtaan liuottimen jäätymispisteen alapuolelle, molaliteetti esiintyy suoraan käytettävässä yhtälössä:

$\Delta T_f = K_f \times m \times i$

$\Delta T_f$ on jäätymispisteen alenema, $K_f$ on liuottimelle ominainen vakio, $m$ on molaliteetti ja $i$ on niiden hiukkasten määrä, joita jokainen liuenneen aineen yksikkö tuottaa liuetessaan. Koska molaliteetti ei muutu näytteen jäähtyessä kohti jäätymispistettä, se antaa vakaan arvon sijoitettavaksi tähän yhtälöön. Sama pätee kiehumispisteen kohoamiseen ja lääkevalmisteisiin, joiden pitoisuuden on pysyttävä vakaana monilla säilytyslämpötiloilla.

Usein kysyttyä

Mikä on molaliteetin ja molaarisuuden ero? Molaliteetti on liuenneen aineen ainemäärä liuottimen kilogrammaa kohti. Molaarisuus on liuenneen aineen ainemäärä liuoksen litraa kohti. Molaliteetti riippuu vain massasta, joten se ei muutu lämpötilan mukaan; molaarisuus riippuu tilavuudesta, joka muuttuu lämpötilan mukaan.

Miksi joissakin kokeissa käytetään molaliteettia molaarisuuden sijaan? Kaikissa eri lämpötiloissa tehtävissä mittauksissa, kuten jäätymispisteen alenemista tutkittaessa, tarvitaan pitoisuusyksikkö, joka ei muutu näytteen lämmetessä tai jäähtyessä. Koska molaliteetti perustuu massaan, se pysyy vakiona, kun taas molaarisuusarvo muuttuisi hieman liuoksen tilavuuden mukana.

Voiko molaliteetti olla negatiivinen tai nolla? Ei, molaliteetti ei voi olla negatiivinen, koska se kuvaa liuenneen aineen fysikaalista määrää. Se on nolla vain silloin, kun liuennutta ainetta ei ole, eli näyte on liuoksen sijaan puhdasta liuotinta.

Onko molaliteetilla ylärajaa? On. Molaliteetin ylärajan määrää liuenneen aineen liukoisuus liuottimeen. Kun liuotin sisältää kyseisessä lämpötilassa ja paineessa niin paljon liuennutta ainetta kuin siihen voi liueta, molaliteetti ei voi enää kasvaa.

Onko puhtaalla vedellä molaliteetti? Ei. Molaliteetti kuvaa liuottimeen liuennutta ainetta. Puhdas vesi ei sisällä liuennutta ainetta, joten molaliteetti ei koske sitä.

Kuinka tarkka molaliteettilaskuri on väkeville tai epäideaalisille liuoksille? Jakolasku noudattaa suoraan määritelmää, ja tämä laskuri ilmoittaa tuloksen neljän desimaalin tarkkuudella. Molaliteetti itsessään pysyy oikeana kaikilla pitoisuuksilla. Väkevässä tai epäideaalisessa liuoksessa muuttuu se, miten arvo käyttäytyy myöhemmissä yhtälöissä, kuten jäätymispisteen alenemaa kuvaavassa yhtälössä, jossa ionien väliset vuorovaikutukset aiheuttavat todellisen käyttäytymisen poikkeamisen yksinkertaisesta verrannollisuuskaavasta.