מחשבון נורמליות | חישוב ריכוז תמיסה (eq/L)

מהו מחשבון נורמליות?

מחשבון נורמליות מוצא את הנורמליות של תמיסה כימית, מדד לריכוז המשמש בעיקר בטיטרציות. הוא מחשב את התשובה משלושה נתונים: משקל החומר המומס (המומס), המשקל השקול שלו ונפח התמיסה.

מהי נורמליות בכימיה?

נורמליות (N) מודדת ריכוז בשקולי־גרם לליטר (eq/L). שקול הוא כמות של חומר המגיבה עם אחד מהבאים או מספקת אחד מהם:

• מול אחד של יוני H⁺, בתגובת חומצה-בסיס
• מול אחד של אלקטרונים, בתגובת חמצון-חיזור
• מול אחד של מטען, בתגובת שיקוע או קומפלקסציה

לנורמליות יש שימוש משום שנפחים שווים של תמיסות בעלות אותה נורמליות מגיבים זה עם זה לחלוטין. ערבוב של 50 mL חומצה הידרוכלורית בריכוז 0.1 N עם 50 mL נתרן הידרוקסידי בריכוז 0.1 N מביא את התגובה להשלמה מדויקת. הדבר נכון ללא קשר לחומצה או לבסיס שבהם משתמשים, ולכן הוא מפשט את חישובי הטיטרציה. בחישוב מולריות, אותה השוואה הייתה תלויה בסטויכיומטריה של התגובה.

נוסחת הנורמליות

הנורמליות מחושבת לפי הנוסחה הבאה:

N = W / (E × V)

• N = נורמליות, בשקילים לליטר (eq/L)
• W = משקל המומס, בגרמים
• E = המשקל השקול של המומס, בגרמים לשקיל (g/eq)
• V = נפח התמיסה, בליטרים

כיצד מוצאים משקל שקול

משקל שקול אינו תכונה קבועה של חומר. הוא תלוי בתגובה שבה החומר משתתף.

חומצות: מחלקים את המסה המולקולרית במספר יוני H⁺ שהחומצה יכולה לתרום. חומצה הידרוכלורית (HCl, מסה מולקולרית של כ־36.5 g/mol) תורמת יון H⁺ אחד, ולכן המשקל השקול שלה הוא 36.5 g/eq. חומצה גופרתית (H₂SO₄, מסה מולקולרית של כ־98 g/mol) תורמת שני יוני H⁺, ולכן המשקל השקול שלה הוא 49 g/eq.

בסיסים: מחלקים את המסה המולקולרית במספר יוני OH⁻. לנתרן הידרוקסידי (NaOH) יש יון OH⁻ אחד, ולכן המשקל השקול שלו שווה למסה המולקולרית שלו, כ־40 g/eq. לסידן הידרוקסידי (Ca(OH)₂) יש שני יוני OH⁻, ולכן המשקל השקול שלו הוא מחצית מהמסה המולקולרית שלו.

תגובות חמצון-חיזור: מחלקים את המסה המולקולרית במספר האלקטרונים המועברים. אשלגן פרמנגנט (KMnO₄) מעביר 5 אלקטרונים בתמיסה חומצית, אך רק 1 בתמיסה בסיסית מאוד, ולכן המשקל השקול שלו משתנה בהתאם לתנאי התגובה.

תגובות שיקוע וקומפלקסציה: מחלקים את המסה המולקולרית במטען היוני המעורב. סידן כלורי (CaCl₂, מסה מולקולרית של כ־111 g/mol) יוצר יון Ca²⁺, ולכן המשקל השקול שלו הוא כ־55.5 g/eq.

מכיוון שהמשקל השקול תלוי בתגובה, לאותה תרכובת יכולים להיות יותר ממשקל שקול אחד.

כיצד לחשב נורמליות: שלב אחר שלב

1. שקלו את המומס בגרמים. זהו W.
2. חשבו את המשקל השקול עבור התגובה המעורבת. זהו E.
3. מדדו את הנפח הסופי של התמיסה והמירו אותו לליטרים. זהו V.
4. חלקו את W במכפלה של E ו־V.

טעות נפוצה היא לשכוח להמיר מיליליטרים לליטרים. תמיסה שהוכנה עד נפח של 250 mL משתמשת ב־V = 0.25, ולא ב־V = 250.

דוגמה פתורה

לחומצה גופרתית (H₂SO₄) מסה מולקולרית של כ־98 g/mol. בתגובת חומצה-בסיס היא תורמת שני יוני H⁺, ולכן:

E = 98 g/mol ÷ 2 = 49 g/eq

נניח ש־4.9 g של H₂SO₄ מומס והנפח הושלם ל־0.5 L תמיסה.

N = W / (E × V) N = 4.9 ÷ (49 × 0.5) N = 4.9 ÷ 24.5 N = 0.2

כאשר W נמדד בגרמים, E ב־g/eq ו־V בליטרים, התוצאה מתקבלת ביחידות eq/L. התמיסה היא 0.2 N.

דוגמה שנייה: 10 g של נתרן הידרוקסידי (משקל שקול 40 g/eq), שהנפח שלו הושלם ל־0.5 L תמיסה, נותן N = 10 ÷ (40 × 0.5) = 0.5 eq/L.

נורמליות לעומת מולריות

מולריות (M) מודדת את מספר המולים של המומס לליטר תמיסה, בלי להתחשב במספר היחידות הפעילות שכל מולקולה נושאת. הנורמליות והמולריות קשורות זו לזו כך:

N = M × n

כאשר n הוא מספר השקילים למול. תמיסה בריכוז 1 M של H₂SO₄ היא 2 N, מכיוון שכל מולקולה מספקת שני יוני H⁺. עבור חומר שבו יש רק יחידה פעילה אחת בכל מולקולה, כגון HCl, הנורמליות והמולריות הן אותו מספר.

הנורמליות יכולה להיות שווה למולריות או גבוהה ממנה, אך לעולם אינה נמוכה ממנה. רוב המחקר וההוראה המודרניים בכימיה משתמשים במולריות, משום שהמונח "שקילים" עלול להיות דו־משמעי בתגובות מורכבות או בתגובות חמצון-חיזור. נורמליות עדיין נפוצה בתחומים המבוססים על טיטרציה, כגון טיפול במים ובקרת איכות של תרופות, שבהם שיטות מבוססות קבועות מנוסחות במונחי נורמליות.

היכן משתמשים בנורמליות

בנורמליות משתמשים בעיקר בטיטרציות של חומצה-בסיס ושל חמצון-חיזור, שבהן מעבדות מחזיקות תמיסות מתוקננות, בדרך כלל בריכוז 0.1 N, של חומצות ובסיסים כגון HCl, NaOH ו־H₂SO₄. נפחים שווים של תמיסות בעלות אותה נורמליות מגיבים עד להשלמה, ולכן קל לחשב את נקודות הסיום של הטיטרציה בלי לחשב בכל פעם את הסטויכיומטריה של התגובה.

מחוץ למעבדה, מתקני טיפול במים משתמשים בנורמליות כדי לקבוע את מינון הכימיקלים להתאמת ה־pH. גם כמה מהליכי בקרת האיכות בתעשיית התרופות ובתעשייה מציינים ריכוזים בנורמליות, בעיקר בשיטות בדיקה ותיקות ומבוססות.

שאלות נפוצות

כיצד מחשבים את הנורמליות של תמיסה? השתמשו ב־N = W / (E × V), כאשר W הוא משקל המומס בגרמים, E הוא המשקל השקול שלו ב־g/eq, ו־V הוא נפח התמיסה בליטרים. המשקל השקול תלוי בסוג התגובה.

מה ההבדל בין נורמליות למולריות? מולריות סופרת את מולי המומס לליטר. נורמליות סופרת את השקילים, כלומר את היחידות הפעילות, לליטר. תמיסה בריכוז 1 M של H₂SO₄ היא 2 N, מכיוון שכל מולקולה יכולה לתרום שני יוני H⁺.

כיצד מוצאים את המשקל השקול של תרכובת? חלקו את המסה המולקולרית במספר יוני H⁺ או OH⁻ שהתרכובת מגיבה איתם (בחומצות ובבסיסים), במספר האלקטרונים המועברים (בתגובות חמצון-חיזור), או במטען היוני (בתגובות שיקוע).

האם נורמליות יכולה להיות גבוהה ממולריות? כן, עבור כל חומר שיש בו יותר מיחידה פעילה אחת בכל מולקולה. הנורמליות לעולם אינה נמוכה מהמולריות, והיא שווה למולריות רק כאשר יש בדיוק יחידה פעילה אחת בכל מולקולה.

מדוע נורמליות שימושית בטיטרציות? נפחים שווים של תמיסות בעלות אותה נורמליות מגיבים זה עם זה לחלוטין, ללא קשר לחומצה או לבסיס שבהם משתמשים. כך אין צורך לחשב את היחסים הסטויכיומטריים לפני הטיטרציה.

מה קורה אם מזינים משקל שלילי, או נפח אפס או נפח שלילי? המחשבון דוחה ערכים אלה. המשקל חייב להיות אפס או יותר. המשקל השקול והנפח חייבים להיות גדולים מאפס, משום שערך אפס או ערך שלילי במכנה הופך את הנוסחה לבלתי מוגדרת.