Molalitetsräknare

En molalitetsräknare bestämmer koncentrationen hos en lösning i mol löst ämne per kilogram lösningsmedel, en enhet som kemister kallar molalitet. Den använder tre indata: det lösta ämnets massa, lösningsmedlets massa och det lösta ämnets molmassa. Resultatet visas i mol/kg med fyra decimaler.

Vad är molalitet?

Molalitet (symbol m) anger hur många mol av ett löst ämne, det lösta ämnet, som finns i ett kilogram av ämnet som det har lösts i, lösningsmedlet. Den besvarar en enkel fråga: hur många mol löst ämne finns det per kilogram lösningsmedel?

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

Här är $n_{solute}$ antalet mol löst ämne och $m_{solvent}$ lösningsmedlets massa i kilogram.

Molalitet räknar endast med lösningsmedlets massa, inte den färdiga lösningens totala massa. Om 5,85 g bordssalt (NaCl, molmassa 58,5 g/mol) löses i 100 g (0,1 kg) vatten, innehåller lösningen 0,1 mol salt i 0,1 kg vatten. Molaliteten är då 1,0 mol/kg, även om den sammanlagda lösningen väger 105,85 g.

Molaliteten förändras inte med temperaturen, eftersom den bygger på massa och inte volym. Vätskor utvidgas något när de värms upp och krymper när de kyls ned, så molariteten (mol per liter lösning) förändras med temperaturen. Molaliteten förblir konstant, vilket är anledningen till att den är standardenheten vid studier av fryspunktssänkning och kokpunktshöjning.

Molalitetsformel

Kemister räknar sällan mol direkt; i stället väger de ämnen. Antalet mol löst ämne är lika med det lösta ämnets massa dividerad med dess molmassa, så den praktiska formeln blir:

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

• $m_{solute}$ — massan av det lösta ämne som vägdes upp, i gram
• $M_{solute}$ — det lösta ämnets molmassa, i g/mol, hämtad från periodiska systemet
• $m_{solvent}$ — lösningsmedlets massa, i kilogram

Så beräknas molalitet

1. Väg det lösta ämnet. Notera massan i gram, kilogram eller milligram. Räknaren accepterar alla tre enheterna och omvandlar dem.
2. Ta reda på det lösta ämnets molmassa, i g/mol, med hjälp av periodiska systemet. För ett hydrat som CuSO₄·5H₂O ska vattenmolekylernas massa ingå i totalmassan.
3. Väg endast lösningsmedlet, före blandningen, inte den sammanlagda lösningen efteråt.
4. Omvandla båda massorna till motsvarande enheter: gram för det lösta ämnet och kilogram för lösningsmedlet. Räknaren gör detta själv med hjälp av den enhet som väljs bredvid varje massfält.
5. Dividera det lösta ämnets massa med dess molmassa för att få antalet mol löst ämne.
6. Dividera antalet mol löst ämne med lösningsmedlets massa i kilogram för att få molaliteten i mol/kg.

Vanliga misstag

• Att använda lösningens massa i stället för lösningsmedlets. Om 100 g vatten vägs upp och 10 g salt sedan tillsätts, blir lösningens massa 110 g. Vid beräkningen av molaliteten används fortfarande endast 100 g vatten.
• Att utelämna kristallvattnet. CuSO₄·5H₂O har molmassan 249,7 g/mol, inte 159,6 g/mol som för vattenfritt CuSO₄ ensamt.
• Att blanda ihop gram och kilogram. Om lösningsmedlets massa anges som 500 i stället för 0,5 kg blir svaret fel med en faktor på 1000.
• Att avrunda för tidigt. Behåll extra decimaler genom steget där antalet mol löst ämne beräknas och avrunda först slutsvaret.

Exempel: Beräkning av molalitet

Problem. Bestäm molaliteten hos en lösning som framställts av 10 g natriumklorid (NaCl, molmassa 58,44 g/mol) löst i 500 g vatten.

1. Omvandla lösningsmedlets massa till kilogram: 500 g = 0,5 kg.
2. Bestäm antalet mol löst ämne: 10 g ÷ 58,44 g/mol = 0,1711 mol.
3. Bestäm molaliteten: 0,1711 mol ÷ 0,5 kg = 0,3422 mol/kg.

Exempel: Beräkning med milligram

Problem. Bestäm molaliteten hos en lösning som framställts av 25 mg glukos (C₆H₁₂O₆, molmassa 180,16 g/mol) löst i 15 g vatten.

1. Omvandla det lösta ämnets massa till gram: 25 mg = 0,025 g.
2. Omvandla lösningsmedlets massa till kilogram: 15 g = 0,015 kg.
3. Bestäm antalet mol löst ämne: 0,025 g ÷ 180,16 g/mol ≈ 0,0001388 mol.
4. Bestäm molaliteten: 0,0001388 mol ÷ 0,015 kg ≈ 0,0093 mol/kg.

Molalitet jämfört med molaritet

Molalitet och molaritet låter lika men mäter olika saker. Molalitet är antalet mol löst ämne dividerat med lösningsmedlets massa i kilogram. Molaritet är antalet mol löst ämne dividerat med hela lösningens volym i liter. Eftersom vätskors volym förändras med temperaturen och molariteten beror på volym, ändras lösningens molaritet något när den värms upp eller kyls ned, medan molaliteten förblir densamma. För utspädda vattenlösningar vid rumstemperatur ligger de två värdena ofta nära varandra, men de är inte identiska och bör inte bytas mot varandra utan kontroll.

En approximativ omvandling mellan dem, när lösningens densitet är känd, är:

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

där $\rho$ är lösningens densitet i g/mL.

Varför kemister använder molalitet

Molalitet används när temperaturen förändras under ett experiment. Vid fryspunktssänkning, det vill säga sänkningen av en lösnings fryspunkt under det rena lösningsmedlets fryspunkt, ingår molaliteten direkt i den relevanta ekvationen:

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

$\Delta T_f$ är fryspunktssänkningen, $K_f$ är en konstant som är specifik för lösningsmedlet, $m$ är molaliteten och $i$ är antalet partiklar som varje enhet av det lösta ämnet bildar när den löses upp. Eftersom molaliteten inte förändras när provet kyls ned mot sin fryspunkt ger den ett stabilt värde att sätta in i ekvationen. Samma resonemang gäller för kokpunktshöjning och för läkemedelsberedningar som måste bibehålla en jämn koncentration över ett intervall av lagringstemperaturer.

Vanliga frågor

Vad är skillnaden mellan molalitet och molaritet? Molalitet är mol löst ämne per kilogram lösningsmedel. Molaritet är mol löst ämne per liter lösning. Molalitet beror endast på massa och förändras därför inte med temperaturen; molaritet beror på volym, som förändras med temperaturen.

Varför använder vissa experiment molalitet i stället för molaritet? Alla mätningar över ett temperaturintervall, till exempel fryspunktssänkning, behöver en koncentrationsenhet som inte förändras när provet värms upp eller kyls ned. Eftersom molalitet bygger på massa förblir den konstant, medan molariteten förändras något tillsammans med lösningens volym.

Kan molalitet vara negativ eller noll? Nej, molalitet kan inte vara negativ, eftersom den beskriver en fysisk mängd löst ämne. Den är noll endast när inget löst ämne finns, vilket innebär att provet är rent lösningsmedel och inte en lösning.

Finns det en övre gräns för molalitet? Ja. Molaliteten begränsas av det lösta ämnets löslighet i lösningsmedlet. När lösningsmedlet innehåller så mycket löst ämne som det kan lösa vid den aktuella temperaturen och trycket kan molaliteten inte öka mer.

Har rent vatten en molalitet? Nej. Molalitet beskriver ett löst ämne som är upplöst i ett lösningsmedel. Rent vatten innehåller inget löst ämne, så molalitet är inte tillämpligt på det.

Hur exakt är en molalitetsräknare för koncentrerade eller icke-ideala lösningar? Divisionen följer definitionen direkt, och den här räknaren visar svaret med fyra decimaler. Själva molalitetsvärdet förblir korrekt vid alla koncentrationer. Det som förändras i en koncentrerad eller icke-ideal lösning är hur värdet uppträder i senare ekvationer, till exempel för fryspunktssänkning, där växelverkan mellan joner gör att det verkliga beteendet avviker från den enkla proportionella formeln.