7. Konsentraatio

7.1 Tavoitteet

Tavoitteena on, että tämän kappaleen jälkeen

Osaat selittää mitä konsentraatio tarkoittaa ja tiedät, miten se liittyy ainemäärän käsitteeseen
Osaat muuntaa litrat millilitroiksi ja millilitrat litroiksi
Osaat laskea konsentraation, kun ainemäärä ja tilavuus tunnetaan
Osaat ratkaista konsentraation yhtälön myös muiden suureiden suhteen
Osaat ratkaista useampi vaiheisia ongelmia, joissa yhdistät tietosi ainemäärästä ja konsentraatiosta

7.2 Konsentraatio ja kemian kolme tasoa

Veteen voi olla liuenneena monenlaisia ioneja ja molekyylejä. Arkielämässä olet lisännyt sokeria kahviin tai teehen tai ainakin nähnyt jonkun muun tekevän niin. Olet huomannut, että kahvia katsomalla et pysty näkemään, onko siihen lisättyä sokeria vai ei, vaikka maistamalla sen ehkä pystytkin havainnoimaan. Samalla tavoin vesijohtoveteen on liuenneena pieniä määriä erilaisia ioneja ja kivennäisaineita, joita et pysty havaitsemaan. Makroskooppisella tasolla et pysty välttämättä havaitsemaan veteen liuenneita hiukkasia tai hiukkasten määrää. Toisaalta jos veteen on liuennut värillisiä aineita, värin perusteella voit päätellä, onko ainetta siinä paljon tai vähän. Mieti esimerkiksi mehun tekemistä mehutiivisteestä. Mikäli valmistat laimeaa mehua, eli kaadat vain pienen määrän tiivistettä ja loput vettä, on värikin haalea. Mikäli laitat suuren määrän tiivistettä ja vähemmän vettä, tulee mehusta voimakkaan väristä.

Submikroskooppisella tasolla eli atomien ja molekyylien tasolla, voidaan tarkastella hiukkasten lukumäärää liuoksessa. Mitä enemmän hiukkasia on liuoksessa, sen suurempi on konsentraatio. Edellisessä kappaleessa opit ainemäärän käsitteen, joka kuvaa aineen perusosasten lukumäärää. Konsentraatio kuvaa liuokseen liuenneen aineen ainemäärää. Symbolisella tasolla konsentraatio (c) saadaan jakamalla liuokseen liuennut ainemäärä (n) liuoksen tilavuudella (V).

Värillisen liuenneen aineen konsentraatio submikroskooppisella, makroskooppisella ja symbolisella tasolla kuvattuna. Makroskooppisella tasolla voidaan havaita, että liuoksen väri on sitä voimakkaampi, mitä suurempi konsentraatio on. Submikroskooppisella tasolla konsentraatio tarkoittaa nesteeseen liuenneiden aineen perusosasten lukumäärää. Kun symbolisella tasolla konsentraatio on 0 mol/l, ei submikroskooppisella tasolla liuokseen ole liuennut ainetta ollenkaan. Konsentraation kasvaessa, submikroskooppisella tasolla huomataan aineen perusosasten lukumäärän lisääntyvän. Huomaa kuitenkin, että submikroskooppisen tason esityksessä on piirretty vain muutamia perusosasia kuvaamaan perusosasten lukumäärän kasvua.

7.3 Veden laatu

Juomaveden puhtaus on yksi tärkeimmistä tekijöistä terveytemme kannalta. Kaupungeissa juomavesi tulee yleensä putkia pitkin kotiimme vedenpuhdistamon kautta, jossa veden laatua seurataan jatkuvasti. Jos juomavesi tulee omasta kaivosta, tulisi silloinkin veden laatu tutkituttaa säännöllisesti. Veteen liuenneena voi olla paljon sellaisia aineita, joita ei juodessaan huomaa. Osa näistä aineista voi olla vahingollisia terveydelle, mikäli vettä juo säännöllisesti ja aineen pitoisuus vedessä on suuri. Katso esimerkiksi Ylen artikkeli Yhdysvaltalaisen Beevillen kaupungin vedestä.

Veden laatua verrataan suositusarvoihin. Suositusarvot ja näytteet ilmaistaan usein yksikössä $\frac{mmol}{l}$ (millimoolia per litra), $\frac{mg}{l}$ (milligrammaa per litra) tai $\frac{\mu g}{l}$ (mikrogrammaa per litra).

Tarkastellaan seuraavaa kaivoveden analyysiä:

Mittaustulokset on annettu keskellä ja suositukset oikeassa reunassa.

# kaivovesi1

# kaivovesi2

Veden kovuus eli kalsiumin ja magnesiumin määrä vedessä ilmoitetaan yleensä joko saksalaisina asteina (°dH) tai millimooleina litrassa ( $\frac{mmol}{l}$ ). Edellisessä kappaleessa tutustuimme ainemäärän käsitteeseen ja ainemäärän yksikköön mooliin. Millimooli on moolin tuhannesosa. Kun veden kovuus ilmoitetaan yksikössä $\frac{mmol}{l}$ , tarkastellaan siis Ca- ja Mg-ionien lukumäärää yhdessä litrassa vettä. Mitä enemmän vedessä on kalsiumia ja magnesiumia, sitä kovempaa vesi on. Veden kovuus vaikuttaa esimerkiksi siihen, kuinka paljon pesuainetta suositellaan käytettävän pyykinpesussa.

# vedenkovuus

# kaivovesi4

7.3.1 Lisätietoa

7.4 Konsentraatio

Monet kemialliset reaktiot tapahtuvat vesiliuoksissa, johon on liuenneena kiinteää ainetta, nestettä tai kaasua. Liuos on homogeeninen seos, joten liuenneen aineen perusyksiköt ovat tasaisesti kaikkialla liuoksessa.

Esimerkiksi ruokasuola (NaCl) liukenee veteen ioneina. Tämä tarkoittaa sitä, että Na^+ - ja Cl^- -ionit ovat jakautuneet tasaisesti kaikkialle liuokseen.

Makroskooppisella tasolla veteen liuennutta ruokasuolaa ei pysty näkemään (vas), mutta submikroskooppisella tasolla tarkasteltuna (oik) - ja -ionit ovat levittäytyneet tasaisesti liuokseen. Violetit pallot kuvaavat -ioneja ja vihreät pallot -ioneja. Huomaa, että vesimolekyylejä ei ole tässä kuvassa piirretty näkyviin ja ionien koko ei ole oikeassa mittakaavassa dekantterilasiin nähden.

Na^+ — Makroskooppisella tasolla veteen liuennutta ruokasuolaa ei pysty näkemään (vas), mutta submikroskooppisella tasolla tarkasteltuna (oik) - ja -ionit ovat levittäytyneet tasaisesti liuokseen. Violetit pallot kuvaavat -ioneja ja vihreät pallot -ioneja. Huomaa, että vesimolekyylejä ei ole tässä kuvassa piirretty näkyviin ja ionien koko ei ole oikeassa mittakaavassa dekantterilasiin nähden.

Liuoksia on yleensä helpointa mitata tilavuuden avulla. Tilavuuden mittaamisessa voidaan käyttää apuna esimerkiksi mittapulloa, mittalasia, mittapipettiä tai täyspipettiä.

Kuvassa erilaisia tilavuuden mittaamiseen käytettäviä laboratoriotarvikkeita. Vasemmalta oikealle: mittalasi, 100 ml:n mittapullo, 250 ml:n mittapullo, täyspipettejä kolmelle eri tilavuudelle, mittapipetti ja etualalla ilmamäntäpipetti.

Konsentraatio kertoo, kuinka suuri ainemäärä liuennutta ainetta on yhdessä litrassa liuotinta. Mitä suurempi konsentraatio, sen enemmän liuoksessa on liuennutta ainetta.

Jos yhteen litraan vettä on liuennut 1 mooli ruokasuolaa, on liuoksen konsentraatio 1 $\frac{mol}{l}$
Jos yhteen litraan vettä on liuennut 2 moolia ruokasuolaa, on liuoksen konsentraatio 2 $\frac{mol}{l}$

Liuoksen konsentraatio voidaan laskea seuraavan yhtälön avulla:

$c=\frac{n}{V}$

= konsentraatio, jonka yksikkö on moolia per litra ( $\frac{mol}{l}$ )
= liuenneen aineen ainemäärä, jonka yksikkö on mooli (mol)
= liuoksen tilavuus, jonka yksikkö on litra (l)

Tiesitkö, että yksi litra on yhtä suuri kuin yksi kuutiodesimetri eli $1 \ l = 1 \ dm^3$ ? Tässä kappaleessa käytämme tilavuuden yksikkönä litraa, mutta muissa yhteyksissä saatat törmätä siihen, että tilavuus ilmoitetaan kuutiodesimetreinä.

Jos liuennut aine on värillinen, liuenneen aineen määrä vaikuttaa myös liuoksen väriin. Tarkastellaan seuraavaa kuvaa, jossa on rautakelaattia happamaan vesiliuokseen liuenneena. Värin perusteella voit helposti päätellä, kummassa reunassa on konsentraatioltaan pienin liuos ja kummassa reunassa konsentraatioltaan suurin liuos.

*Kuvassa on rautakelaattia happamaan vesiliuokseen liuenneena. Vasemmassa reunassa olevan liuoksen rautakelaatin konsentraatio on 0 mol/l ja konsentraatio kasvaa oikealle mentäessä.*

Esimerkki
Pitävää hiuslakkaa voi valmistaa itse liuottamalla sokeria (sakkaroosi, M = 342,3 $\frac{g}{mol}$ ) kuumaan veteen. Jäähtymisen jälkeen liuos siirretään suihkepulloon ja sitä voi käyttää tavallisen hiuslakan tapaan. Liuokseen voi halutessaan lisätä eteeristä öljyä tuoksuksi. Liuoksen konsentraatiota muuttamalla voi vaikuttaa hiuslakan ominaisuuksiin.
Mikä on sokerin konsentraatio hiuslakassa, jos 250 millilitraan vettä on lisätty 25 g sokeria?

Vastaus

Listataan ensin, mitä tiedetään:

Tehtävänannossa on kerrottu liuoksen tilavuus. Muutetaan tilavuus litroiksi. $V = 250 \ ml = 0,25 \ l$
Tehtävänannossa on kerrottu sokerin massa, m = 25 g
Tehtävänannossa on kerrottu sokerin moolimassa, M = 342,3 $\frac{g}{mol}$

Tehtävässä kysyttiin sokerin konsentraatiota liuoksessa, joten käytetään seuraavaa yhtälöä: $c=\frac{n}{V}$

Huomataan, että kaavassa tarvitaan ainemäärää (n) ja tiedossa on vain massa (m). Lasketaan ensin ainemäärä $n=\frac{m}{M}= \frac{25 \ g}{342,3 \ \frac{g}{mol}} = 0,073035 mol$

Nyt voidaan sijoittaa arvot konsentraation lausekkeeseen $c=\frac{n}{V}= \frac{0,073035 \ mol}{0,25 \ l} \approx 0,29 \ \frac{mol}{l}$

Vastaukseksi saadaan, että sokerin konsentraatio liuoksessa on 0,29 $\frac{mol}{l}$ .

Esimerkki
Sinun tulisi laboratoriossa valmistaa kuparinitraattiliuos ( Cu(NO_3)_2 ), jonka konsentraatio on 0,2 $\frac{mol}{l}$ . Valmista liuosta tarvitaan 100 ml. Kuinka paljon sinun tulee punnita kiinteä kuparinitraattia (M= 187,56 $\frac{g}{mol}$ )?

Vastaus

Listataan ensin, mitä tiedetään:

Tehtävänannossa on kerrottu valmiin liuoksen tilavuus. Muutetaan tilavuus litroiksi. $V = 100 \ ml = 0,1 \ l$
Tehtävänannossa on kerrottu kuparinitraattiliuoksen konsentraatio, c = 0,2 $\frac{mol}{l}$ .
Tehtävänannossa on annettu kuparinitraatin moolimassa (M= 187,56 $\frac{g}{mol}$ )

Tehtävässä kysytään, kuinka paljon kuparinitraattia tulee punnita, jotta valmistettavan liuoksen konsentraatioksi saadaan 0,2 $\frac{mol}{l}$ . Lasketaan ensin, kuinka suuri ainemäärä kuparinitraattia tarvitaan halutun konsentraation saavuttamiseksi ja käytetään siihen seuraavaa kaavaa: $c=\frac{n}{V}$

Ainemäärä (n) on se suure, jonka haluamme selvittää. Ratkaistaan yhtälö ainemäärän suhteen kertomalla molemmat puolet tilavuudella. $c \cdot V = \frac{n \cdot \cancel{V}}{\cancel{V}}$

Yhtälön oikealla puolella on tilavuus sekä osoittajassa että nimittäjässä, joten ne voidaan supistaa pois ja saadaan yhtälö: $n= c \cdot V$

Nyt voidaan sijoittaa lukuarvot yhtälöön: $n = 0,2 \ \frac{mol}{\cancel{l}} \cdot 0,1 \ \cancel{l} = 0,02 \ mol$

Eli kuparinitraattia tarvitaan 0,02 mol. Huomataan kuitenkin, että ainemäärää ei pystytä punnitsemaan, vaan sen avulla täytyy laskea massa. Käytetään ainemäärään kaavaa: $n= \frac{m}{M}$

Ainemäärä tunnetaan ja moolimassa tunnetaan. Ratkaistaan yhtälö massan suhteen kertomalla molemmat puolet moolimassalla (M). Tuloksena saadaan: $m=n \cdot M$

Sijoitetaan lukuarvot yhtälöön: $m= 0,02 \ \cancel{mol} \cdot 187,56 \ \frac{g}{\cancel{mol}} \approx 3,75 \ g$

Tulokseksi saatiin, että kuparinitraattia tulee punnita 3,75 g.

7.5 Konsentraation tutkiminen simulaation avulla

Tutkitaan konsentraatiota simulaation avulla.

PhET: Konsentraatio

1. Tutustu ensin simulaation ominaisuuksiin kokeilemalla:

Kokeile mistä saat lisättyä puhdasta vettä
Mistä pystyt valuttamaan liuosta pois
Kuinka konsentraatiomittari toimii
Kuinka lisäät liuokseen ainetta ja tutustu mitä aineita voit lisätä
Mitä tapahtuu, kun säädät haihtumista

2. Valmista puoli litraa kuparisulfaattiliuosta (), jonka konsentraatio on noin 0,5 $\frac{mol}{l}$ . Kirjoita tarkka konsentraatio ylös

# konsentraatio1

3. Mitä tapahtuu konsentraatiolle, kun lisäät puhdasta vettä astian täyteen?

# konsentraatio3a

Mikä on nyt konsentraatio?

# konsentraatio3b

Valitse alla olevista kuvista (A, B, C) sopivin kuvaamaan muutosta molekyylitasolla:

# konsentraatio3c

Selitä omin sanoin, mitä tapahtuu molekyylitasolla lisätessäsi puhdasta vettä liuokseen

# konsentraatio3d

4. Valuta liuosta pois poistohanan kautta, kunnes sitä on jäljellä taas puoli litraa.

Mikä on nyt konsentraatio?

# konsentraatio4a

Selitä omin sanoin, mitä tapahtuu molekyylitasolla valuttaessasi liuosta pois.

# konsentraatio4b

Selitä miksi liuoksen konsentraatio pysyi samana.

# konsentraatio4c

5. Valmista puoli litraa kuparisulfaattiliuosta, jonka konsentraatio on noin 1,0 $\frac{mol}{l}$ . Kirjoita tarkka konsentraatio ylös.

# konsentraatio5a

6. Ennusta mikä on liuoksen konsentraatio, jos lisäät liuokseen vettä niin, että astia tulee täyteen. Kirjoita ennustuksesi muistiin.

# konsentraatio5b

7. Lisää liuokseen vettä niin, että astia tulee täyteen.

Mikä on nyt konsentraatio?

# konsentraatio7a

Osuiko ennustuksesi oikeaan? Mikäli ei osunut, pohdi mikä meni pieleen.

# konsentraatio7b

8. Haihduta astiasta vettä, kunnes liuosta on jäljellä puoli litraa.

Mikä on nyt konsentraatio?

# konsentraatio8a

Miksi konsentraatio muuttui haihduttaessa, eikä säilynyt samana niin kuin liuosta pois valuttaessa? Selitä omin sanoin, mitä tapahtuu molekyylitasolla haihdutuksessa.

# konsentraatio8b

9. Haihduta kaikki vesi astiasta. Mitä tapahtuu?

# konsentraatio9

Apukappale