Stężenie procentowe roztworu

Stężenie procentowe roztworu informuje, ile masy substancji rozpuszczonej przypada na masę całego roztworu. W praktyce odpowiada na pytanie: ile gramów danej substancji znajduje się w $100$ g mieszaniny. Jest to jeden z najczęściej używanych sposobów opisywania składu roztworów w chemii szkolnej i w codziennym życiu, np. dla roztworów soli, cukru czy kwasów.

Zależność tę zapisujemy wzorem:

$$C_p=\frac{m_s}{m_r}\cdot 100\%$$

gdzie $m_s$ oznacza masę substancji rozpuszczonej, a $m_r$ masę roztworu.

Trzeba pamiętać, że roztwór składa się z dwóch części: substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika. Dlatego obowiązuje też zależność:

$$m_r=m_s+m_{rozp.}$$

To właśnie te dwa wzory są podstawą większości zadań.

W zadaniach bardzo często trzeba wyznaczyć jedną z trzech wielkości: masę substancji, masę rozpuszczalnika albo masę roztworu. Jeśli znasz stężenie procentowe i masę roztworu, najpierw obliczasz masę substancji:

$$m_s=\frac{C_p}{100\%}\cdot m_r$$

Następnie wyznaczasz masę rozpuszczalnika:

$$m_{rozp.}=m_r-m_s$$

Przykładowo, jeśli roztwór ma masę $250$ g i stężenie $12\%$, to masa substancji wynosi $30$ g, a masa rozpuszczalnika $220$ g. Taki tok rozumowania pojawia się bardzo często na sprawdzianach.

Ważna jest też poprawna interpretacja procentu. Roztwór $5\%$ nie oznacza $5$ g substancji w dowolnej ilości roztworu, lecz $5$ g substancji w każdych $100$ g roztworu. Dzięki temu można łatwo układać proporcje lub stosować bezpośrednio wzór.

Jednostki masy muszą być zgodne. Można liczyć w gramach albo kilogramach, ale nie wolno mieszać ich bez przeliczenia. To częsty błąd rachunkowy, mimo że sama metoda bywa poprawna.

Przygotowując roztwór, zwykle znamy jego planowaną masę całkowitą i wymagane stężenie procentowe. Wtedy najpierw obliczamy, ile potrzeba substancji rozpuszczonej, a potem ile należy dodać rozpuszczalnika.

Schemat postępowania jest prosty:

• oblicz masę substancji ze wzoru na stężenie procentowe,
• odejmij tę wartość od masy roztworu,
• otrzymasz masę rozpuszczalnika.

Jeśli trzeba przygotować $500$ g roztworu o stężeniu $8\%$, to masa substancji wynosi $40$ g, a masa wody $460$ g. W laboratorium oznacza to odważenie substancji, a następnie dodanie odpowiedniej ilości rozpuszczalnika.

W zadaniach szkolnych często zakłada się, że podczas przygotowania nie ma strat substancji. Dzięki temu masa końcowa roztworu jest po prostu sumą użytych składników.

Rozcieńczanie polega na dodaniu rozpuszczalnika, najczęściej wody. Najważniejsza zasada brzmi: masa substancji rozpuszczonej pozostaje wtedy stała, bo niczego z roztworu nie usuwamy. Zwiększa się natomiast masa całego roztworu, więc stężenie procentowe maleje.

W obliczeniach trzeba więc zachować tę samą masę substancji przed i po rozcieńczeniu. Jeśli w $100$ g roztworu $20\%$ znajduje się $20$ g substancji, to po dolaniu wody nadal będzie to $20$ g. Zmieni się tylko masa całego roztworu.

Typowy tok rozwiązywania zadań jest następujący:

• oblicz masę substancji w roztworze początkowym,
• uznaj, że po rozcieńczeniu jest ona taka sama,
• z nowego stężenia wyznacz nową masę roztworu,
• porównaj masę końcową z początkową, aby obliczyć masę dodanej wody.

Zatężanie to zwiększanie stężenia roztworu. Najczęściej zachodzi przez odparowanie rozpuszczalnika, czyli usunięcie części wody. W takim przypadku masa substancji rozpuszczonej znów pozostaje stała, ale masa roztworu maleje, dlatego stężenie procentowe wzrasta.

W zadaniach trzeba więc postępować odwrotnie niż przy rozcieńczaniu: najpierw wyznaczyć masę substancji w roztworze początkowym, potem przyjąć, że po odparowaniu ta masa się nie zmienia, a następnie obliczyć nową masę roztworu odpowiadającą większemu stężeniu.

Jeżeli roztwór ma masę $150$ g i stężenie $12\%$, to zawiera $18$ g substancji. Aby te $18$ g stanowiły $18\%$, masa końcowa roztworu musi wynosić $100$ g. Oznacza to, że odparowano $50$ g wody.

Zatężanie może też zajść przez dodanie kolejnej porcji substancji rozpuszczonej. Wtedy rośnie zarówno masa substancji, jak i masa roztworu, ale zwykle stężenie także się zwiększa. Taki wariant również pojawia się w zadaniach.

W liceum najczęściej spotyka się zadania o obliczaniu stężenia, przygotowaniu roztworu, rozcieńczaniu i zatężaniu. Warto rozpoznawać, która wielkość pozostaje stała. To właśnie od tego zależy poprawny sposób rozwiązania.

Najczęstsze błędy to:

• podstawianie do wzoru masy rozpuszczalnika zamiast masy roztworu,
• mylenie pojęć roztwór i rozpuszczalnik,
• błędne założenie, że przy rozcieńczaniu zmniejsza się masa substancji,
• mieszanie jednostek, np. gramów i kilogramów,
• zbyt szybkie zaokrąglanie wyników.

Na sprawdzianie warto najpierw zapisać dane i krótko opisać, co dzieje się z układem: czy dodawana jest woda, czy odparowuje rozpuszczalnik, czy dosypywana jest substancja. Taki opis pomaga ustalić, co jest stałe.