Концентрация смеси
Концентра́ция или до́ля
Можно выделить несколько типов математического описания: массовая концентрация, молярная концентрация, концентрация частиц и объемная концентрация[3].
Массовая доля
определение | Массовая доля компонента — отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов. |
---|---|
обозначение | — по рекомендациям ИЮПАК[4].
— чаще в русскоязычной литературе. В технической литературе: — для массовой доли жидкой смеси — для массовой доли газовой смеси |
единицы измерения | доли,
%масс (для выражения в %масс следует умножить указанное выражение на 100 %) |
формула | где:
|
В бинарных растворах часто существует однозначная (
Часто для выражения концентрации (например, серной кислоты в электролите аккумуляторных батарей) пользуются просто их плотностью. Распространены ареометры (денсиметры, плотномеры), предназначенные для определения концентрации растворов веществ.
Объёмная доля
определение | Объёмная доля — отношение объёма компонента к сумме объёмов компонентов до смешивания. |
---|---|
обозначение | |
единицы измерения | доли единицы,
%об (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %) |
формула |
где:
|
При смешивании жидкостей их суммарный объём может уменьшаться, поэтому не следует заменять сумму объёмов компонентов на объём смеси.
Как было указано выше, существуют
Молярность (молярная объёмная концентрация)
определение | Молярность — количество вещества (число молей) компонента в единице объёма смеси. |
---|---|
обозначение | По рекомендации ИЮПАК, обозначается буквой или , где B — вещество, концентрация которого указывается.[6] |
единицы измерения | В системе СИ — моль/м³
На практике чаще — моль/л или ммоль/л. Также используют выражение «в молярности». Возможно другое обозначение молярной концентрации, которое принято обозначать М. Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/л называют 0,5-молярным, записывают «0,5 M». Примечание: После числа пишут «моль», подобно тому, как после числа пишут «см», «кг» и т. п., не склоняя по падежам. |
формула |
где:
|
Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)
определение | Нормальная концентрация — количество эквивалентов данного вещества в 1 литре смеси. |
---|---|
обозначение | , , |
единицы измерения | Нормальную концентрацию выражают в моль-экв/л или г-экв/л (имеется в виду моль эквивалентов). Для записи концентрации таких растворов используют сокращения «н» или «N». Например, раствор, содержащий 0,1 моль-экв/л, называют децинормальным и записывают как 0,1 н. |
формула |
где:
|
Нормальная концентрация может отличаться в зависимости от реакции, в которой участвует вещество. Например, одномолярный раствор H2SO4 будет однонормальным, если он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата калия KHSO4, и двухнормальным в реакции с образованием K2SO4.
Мольная (молярная) доля
определение | Мольная доля — отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов. |
---|---|
обозначение | ИЮПАК рекомендует обозначать мольную долю буквой (а для газов — )[7], также в литературе встречаются обозначения , . |
единицы измерения | Доли единицы или %мольн (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %) |
формула |
|
Мольная доля может использоваться, например, для количественного описания уровня загрязнений в воздухе, при этом её часто выражают в частях на миллион (ppm — от англ. parts per million). Однако, как и в случае с другими безразмерными величинами, во избежание путаницы, следует указывать величину, к которой относится указанное значение.
Моляльность (молярная весовая концентрация, молярная концентрация)
определение | Моляльная концентрация (моляльность,[5] молярная весовая концентрация) — количество растворённого вещества (число моль) в 1000 г растворителя. |
---|---|
обозначение | Примечание: чтобы не путать с массой, в тех формулах где применяется моляльность, массу обозначают как |
единицы измерения | моль/кг.
Также распространено выражение в «моляльности». Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/кг называют 0,5-мольным. |
формула |
где:
|
Следует обратить особое внимание, что, несмотря на сходство названий, молярная концентрация и моляльность — величины различные. Прежде всего, в отличие от молярной концентрации, при выражении концентрации в моляльности расчёт ведут на массу растворителя, а не на объём раствора. Моляльность, в отличие от молярной концентрации, не зависит от температуры.
Массовая концентрация (Титр)
определение | Массовая концентрация — отношение массы растворённого вещества к объёму раствора. |
---|---|
обозначение | или — по рекомендации ИЮПАК[8]. |
единицы измерения | доли,
%масс (для выражения в %масс следует умножить указанное выражение на 100 %) |
формула |
где:
|
В
Концентрация частиц
определение | Концентрация частиц — отношение числа частиц N к объёму V, в котором они находятся |
---|---|
обозначение | — по рекомендации ИЮПАК[9].
однако также часто встречается обозначение (не путать с количеством вещества). |
единицы измерения | м−3 — в системе СИ,
1/л |
формула |
где:
|
Весообъёмные (массо-объёмные) проценты
Иногда встречается использование так называемых «весообъёмных процентов»[10], которые соответствуют массовой концентрации вещества, где единица измерения г/(100 мл) заменена на процент. Этот способ выражения используют, например, в спектрофотометрии, если неизвестна молярная масса вещества или если неизвестен состав смеси, а также по традиции в фармакопейном анализе.[11] Стоит отметить, что поскольку масса и объём имеют разные размерности, использование процентов для их соотношения формально некорректно. Также международное бюро мер и весов[12] и ИЮПАК[13] не рекомендуют добавлять дополнительные метки (например «% (m/m)» для обозначения массовой доли) к единицам измерения.
Другие способы выражения концентрации
Существуют и другие, распространённые в определённых областях знаний или технологиях, методы выражения концентрации. Например, при приготовлении растворов кислот в лабораторной практике часто указывают, сколько объёмных частей воды приходится на одну объёмную часть концентрированной кислоты (например, 1:3). Иногда используют также отношение масс (отношение массы растворённого вещества к массе растворителя) и отношение объёмов (аналогично, отношение объёма растворяемого вещества к объёму растворителя).
Применимость способов выражения концентрации растворов, их свойства
В связи с тем, что моляльность, массовая доля, мольная доля не включают в себя значения объёмов, концентрация таких растворов остаётся неизменной при изменении температуры. Молярность, объёмная доля, титр, нормальность изменяются при изменении температуры, так как при этом изменяется плотность растворов. Именно моляльность используется в формулах повышения температуры кипения и понижения температуры замерзания растворов.
Разные виды выражения концентрации растворов применяются в разных сферах деятельности, в соответствии с удобством применения и приготовления растворов заданных концентраций. Так, титр раствора удобен в аналитической химии для волюмометрии (титриметрического анализа) и т. п.
Формулы перехода от одних выражений концентраций к другим
В зависимости от выбранной формулы погрешность конвертации колеблется от нуля до некоторого знака после запятой.
От молярности к нормальности
- ,
где:
- — молярная концентрация, моль/л;
- — число эквивалентности.
От молярности к титру
- ,
где:
- — молярная концентрация;
- — молярная масса растворённого вещества.
Если молярная концентрация выражена в моль/л, а молярная масса — в г/моль, то для выражения ответа в г/мл его следует разделить на 1000 мл/л.
От массовой доли к молярности
- ,
где:
- — молярная концентрация вещества B
- — плотность раствора;
- — массовая доля вещества B;
- — молярная масса вещества B.
Если плотность раствора выражена в г/мл, а молярная масса в г/моль, то для выражения ответа в моль/л выражение следует домножить на 1000 мл/л. Если массовая доля выражена в процентах, то выражение следует также разделить на 100 %.
От массовой доли к титру
- ,
где:
- — плотность раствора, г/мл;
- — массовая доля растворённого вещества, в долях от 1;
От моляльности к молярности
где:
- — моляльность,
- — масса растворителя,
- — суммарный объём раствора,
От моляльности к мольной доле
- ,
где:
- — моляльность,
- — молярная масса растворителя.
Если моляльность выражена в моль/кг, а молярная масса растворителя в г/моль, то единицу в формуле следует представить как 1000 г/кг, чтобы слагаемые в знаменателе имели одинаковые единицы измерения.
Сводная таблица
ωB | φB | xB | cB | CB | mB | TB | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
массовая доля | г/г | ωB | |||||||
объёмная доля | л/л | φB | |||||||
мольная доля | моль/моль | xB | |||||||
молярность | моль/л | cB | |||||||
нормальность | моль-экв/л | c((1/z) B) | |||||||
концентрация частиц | 1/л | CB | |||||||
моляльность | моль/кгр-ля | mB | |||||||
титр | г/мл | TB |
- — моляльность вещества B,
- — масса вещества B,
- — масса растворителя,
- — масса раствора,
- — титр (массовая концентрация) B,
- — плотность вещества B,
- — плотность раствора,
- — суммарный объём раствора,
- — постоянная Авогадро,
- — количество частиц вещества В,
- — количество вещества В,
- — количество раствора,
- — молярная масса,
Примечания
- 20 июля 2018 года.
- 20 августа 2018 года.
- IUPAC Gold Book internet edition: «concentration».
- ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book - mass fraction, w (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 13 декабря 2018 года.
- ↑ 1 2 3 Z. Sobecka, W. Choiński, P. Majorek. Dictionary of Chemistry and Chemical Technology: In Six Languages: English / German / Spanish / French / Polish / Russian. — Elsevier, 2013-09-24. — С. 641. — 1334 с. — ISBN 9781483284439.
- ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book - amount concentration, c (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 21 декабря 2018 года.
- ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book - amount fraction, x ( y for gaseous mixtures) (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 22 декабря 2018 года.
- ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book - mass concentration, γ, ρ (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 16 декабря 2018. Архивировано 7 декабря 2018 года.
- ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book - number concentration, C,n (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. Архивировано 22 декабря 2018 года.
- ↑ Способы приготовления растворов на МедКурс. Ru . Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 29 октября 2012 года.
- ↑ Бернштейн И. Я., Каминский Ю. Л. Спектрофотометрический анализ в органической химии. — 2-е изд. — Ленинград: Химия, 1986. — с. 5
- ↑ The International System of Units (SI) . www.bipm.org. Дата обращения: 23 декабря 2018. Архивировано из оригинала 14 августа 2017 года.
- ↑ Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry . www.iupac.org. Дата обращения: 23 декабря 2018. Архивировано из оригинала 20 декабря 2016 года.