Normaalisuuslaskuri | Laske liuoksen pitoisuus (eq/L)

Mikä on normaalisuuslaskuri?

Normaalisuuslaskuri määrittää kemiallisen liuoksen normaalisuuden eli konsentraisuuden suureen, jota käytetään pääasiassa titrauksissa. Se laskee vastauksen kolmen lähtötiedon perusteella: liuenneen aineen (liuotettavan aineen) massan, sen ekvivalenttimassan ja liuoksen tilavuuden.

Mitä normaalisuus tarkoittaa kemiassa?

Normaalisuus (N) mittaa konsentraatiota gramman ekvivalentteina litraa kohti (eq/L). Ekvivalentti on ainemäärä, joka reagoi yhden seuraavista kanssa tai tuottaa yhden seuraavista:

• yhden moolin H⁺-ioneja happo-emäsreaktiossa
• yhden moolin elektroneja redox-reaktiossa
• yhden moolin varausta saostumis- tai kompleksinmuodostusreaktiossa

Normaalisuus on hyödyllinen, koska yhtä suuret tilavuudet liuoksia, joilla on sama normaalisuus, reagoivat täydellisesti keskenään. Kun 50 mL 0,1 N suolahappoa sekoitetaan 50 mL:aan 0,1 N natriumhydroksidia, reaktio etenee täsmälleen loppuun. Tämä pätee riippumatta käytetystä haposta tai emäksestä, joten se yksinkertaistaa titrauslaskuja. Molaarisuutta käytettäessä sama vertailu riippuisi reaktion stökiömetriasta.

Normaalisuuden kaava

Normaalisuus lasketaan seuraavalla kaavalla:

N = W / (E × V)

• N = normaalisuus ekvivalentteina litraa kohti (eq/L)
• W = liuotettavan aineen massa grammoina
• E = liuotettavan aineen ekvivalenttimassa grammoina ekvivalenttia kohti (g/eq)
• V = liuoksen tilavuus litroina

Ekvivalenttimassan määrittäminen

Ekvivalenttimassa ei ole aineen kiinteä ominaisuus. Se riippuu reaktiosta, johon aine osallistuu.

Hapot: Jaa molekyylimassa niiden H⁺-ionien lukumäärällä, jotka happo voi luovuttaa. Suolahappo (HCl, molekyylimassa noin 36,5 g/mol) luovuttaa yhden H⁺-ionin, joten sen ekvivalenttimassa on 36,5 g/eq. Rikkihappo (H₂SO₄, molekyylimassa noin 98 g/mol) luovuttaa kaksi H⁺-ionia, joten sen ekvivalenttimassa on 49 g/eq.

Emäkset: Jaa molekyylimassa OH⁻-ionien lukumäärällä. Natriumhydroksidilla (NaOH) on yksi OH⁻-ioni, joten sen ekvivalenttimassa on sama kuin sen molekyylimassa, noin 40 g/eq. Kalsiumhydroksidilla (Ca(OH)₂) on kaksi OH⁻-ionia, joten sen ekvivalenttimassa on puolet sen molekyylimassasta.

Redox-reaktiot: Jaa molekyylimassa siirtyvien elektronien lukumäärällä. Kaliumpermanganaatti (KMnO₄) siirtää happamassa liuoksessa 5 elektronia mutta voimakkaasti emäksisessä liuoksessa vain 1 elektronin, joten sen ekvivalenttimassa muuttuu reaktio-olosuhteiden mukaan.

Saostumis- ja kompleksinmuodostusreaktiot: Jaa molekyylimassa reaktiossa mukana olevan ionivarauksen itseisarvolla. Kalsiumkloridi (CaCl₂, molekyylimassa noin 111 g/mol) muodostaa Ca²⁺-ionin, joten sen ekvivalenttimassa on noin 55,5 g/eq.

Koska ekvivalenttimassa riippuu reaktiosta, samalla yhdisteellä voi olla useampi kuin yksi ekvivalenttimassa.

Normaalisuuden laskeminen vaihe vaiheelta

1. Punnitse liuotettava aine grammoina. Tämä on W.
2. Laske kyseiseen reaktioon liittyvä ekvivalenttimassa. Tämä on E.
3. Mittaa liuoksen lopullinen tilavuus ja muunna se litroiksi. Tämä on V.
4. Jaa W luvulla, joka saadaan, kun E ja V kerrotaan keskenään.

Yleinen virhe on unohtaa muuntaa millilitrat litroiksi. Liuos, jonka tilavuudeksi on saatettu 250 mL, käyttää arvoa V = 0,25, ei arvoa V = 250.

Ratkaistu esimerkki

Rikkihapon (H₂SO₄) molekyylimassa on noin 98 g/mol. Happo-emäsreaktiossa se luovuttaa kaksi H⁺-ionia, joten:

E = 98 g/mol ÷ 2 = 49 g/eq

Oletetaan, että 4,9 g H₂SO₄-happoa liuotetaan ja liuoksen tilavuudeksi saatetaan 0,5 L.

N = W / (E × V) N = 4,9 ÷ (49 × 0,5) N = 4,9 ÷ 24,5 N = 0,2

Kun W ilmoitetaan grammoina, E yksikössä g/eq ja V litroina, tulokseksi saadaan eq/L. Liuoksen normaalisuus on 0,2 N.

Toinen esimerkki: 10 g natriumhydroksidia, jonka ekvivalenttimassa on 40 g/eq, saatetaan liuoksen tilavuuteen 0,5 L, jolloin N = 10 ÷ (40 × 0,5) = 0,5 eq/L.

Normaalisuus ja molaarisuus

Molaarisuus (M) mittaa liuotettavan aineen mooleja liuoslitraa kohti ottamatta huomioon sitä, kuinka monta reaktiivista yksikköä kukin molekyyli sisältää. Normaalisuus ja molaarisuus liittyvät toisiinsa seuraavasti:

N = M × n

missä n on ekvivalenttien määrä moolia kohti. 1 M:n H₂SO₄-liuoksen normaalisuus on 2 N, koska kukin molekyyli tuottaa kaksi H⁺-ionia. Aineella, jonka kussakin molekyylissä on vain yksi reaktiivinen yksikkö, kuten HCl:llä, normaalisuus ja molaarisuus ovat sama luku.

Normaalisuus voi olla sama kuin molaarisuus tai sitä suurempi, mutta se ei ole koskaan sitä pienempi. Nykyisessä kemian tutkimuksessa ja opetuksessa käytetään yleensä molaarisuutta, koska ”ekvivalentit” voivat olla monitulkintaisia monimutkaisissa tai redox-reaktioissa. Normaalisuus on edelleen yleinen titraukseen perustuvilla aloilla, kuten vedenkäsittelyssä ja lääkkeiden laadunvalvonnassa, joissa vakiintuneet menetelmät on määritelty normaalisuuden avulla.

Missä normaalisuutta käytetään

Normaalisuutta käytetään pääasiassa happo-emäs- ja redox-titrauksissa, joissa laboratoriot ylläpitävät standardoituja, tavallisesti 0,1 N:n happo- ja emäsliuoksia, kuten HCl-, NaOH- ja H₂SO₄-liuoksia. Yhtä suuret tilavuudet liuoksia, joilla on sama normaalisuus, reagoivat loppuun, joten titrauksen päätepisteet on helppo laskea ilman, että reaktion stökiömetriaa tarvitsee määrittää joka kerta erikseen.

Laboratorion ulkopuolella vedenkäsittelylaitokset käyttävät normaalisuutta annostellessaan kemikaaleja pH-arvon säätämiseen. Myös joissakin lääketeollisuuden ja teollisuuden laadunvalvontamenetelmissä konsentraatiot ilmoitetaan normaalisuutena, pääasiassa vanhoissa, vakiintuneissa testimenetelmissä.

Usein kysyttyä

Miten liuoksen normaalisuus lasketaan? Käytä kaavaa N = W / (E × V), jossa W on liuotettavan aineen massa grammoina, E sen ekvivalenttimassa yksikössä g/eq ja V liuoksen tilavuus litroina. Ekvivalenttimassa riippuu reaktiotyypistä.

Mikä on normaalisuuden ja molaarisuuden ero? Molaarisuus ilmoittaa liuotettavan aineen moolien määrän litraa kohti. Normaalisuus ilmoittaa reaktiivisten yksiköiden eli ekvivalenttien määrän litraa kohti. 1 M:n H₂SO₄-liuoksen normaalisuus on 2 N, koska kukin molekyyli voi luovuttaa kaksi H⁺-ionia.

Miten yhdisteen ekvivalenttimassa määritetään? Jaa sen molekyylimassa niiden H⁺- tai OH⁻-ionien lukumäärällä, joiden kanssa se reagoi (happojen ja emästen tapauksessa), siirtyvien elektronien lukumäärällä (redox-reaktioissa) tai ionivarauksella (saostumisreaktioissa).

Voiko normaalisuus olla suurempi kuin molaarisuus? Kyllä, jos kussakin molekyylissä on useampi kuin yksi reaktiivinen yksikkö. Normaalisuus ei ole koskaan molaarisuutta pienempi, ja se on yhtä suuri kuin molaarisuus vain silloin, kun kussakin molekyylissä on täsmälleen yksi reaktiivinen yksikkö.

Miksi normaalisuus on hyödyllinen titrauksissa? Yhtä suuret tilavuudet liuoksia, joilla on sama normaalisuus, reagoivat täydellisesti keskenään riippumatta käytetystä haposta tai emäksestä. Näin stökiömetristen suhteiden määrittämistä ennen titrausta ei tarvita.

Mitä tapahtuu, jos syötän negatiivisen massan tai nollan tai negatiivisen tilavuuden? Laskuri hylkää nämä arvot. Massa voi olla nolla tai sitä suurempi. Ekvivalenttimassan ja tilavuuden on molempien oltava suurempia kuin nolla, koska nolla tai negatiivinen arvo nimittäjässä tekee kaavasta määrittelemättömän.