Концентрация растворов

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Концентрация  — величина, характеризующая количественный состав раствора.

Согласно правилам ИЮПАК, концентрацией растворённого вещества (не раствора) называют отношение количества растворённого вещества или его массы к объёму раствора (моль/л, г/л), то есть это отношение неоднородных величин.

Те величины, которые являются отношением однотипных величин (отношение массы растворённого вещества к массе раствора, отношение объёма растворённого вещества к объёму раствора), правильно называть «долями». Однако на практике для обоих видов выражения состава применяют термин «концентрация» и говорят о концентрации растворов.

Существует много способов выражения концентрации растворов.

Массовая доля[править | править вики-текст]

Массовая доля — отношение массы растворённого вещества к массе раствора. Массовая доля измеряется в долях единицы или в процентах:

\omega=\frac{m_1}{m} \cdot 100\;%

где:

  • m1 — масса растворённого вещества, г;
  • m — общая масса раствора, г.

Массовое процентное содержание компонента, m%

m_% = \frac {m_i}{\sum\limits_{i} {m_i}} \cdot 100

В бинарных растворах часто существует однозначная (функциональная) зависимость между плотностью раствора и его концентрацией (при данной температуре). Это даёт возможность определять на практике концентрации важных растворов с помощью денсиметра (спиртометра, сахариметра, лактометра). Некоторые ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора (спирта, жира в молоке, сахара). Следует учитывать, что для некоторых веществ кривая плотности раствора имеет максимум, в этом случае проводят два измерения: непосредственное, и при небольшом разбавлении раствора.

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.

Пример: зависимость плотности растворов H2SO4 от её массовой доли в водном растворе при 25 °C[источник не указан 863 дня]
ω, % 5 10 15 20 30 40 50 60 70 80 90 95
ρ H2SO4, г/мл 1,032 1,066 1,102 1,139 1,219 1,303 1,395 1,498 1,611 1,727 1,814 1,834

Объёмная доля[править | править вики-текст]

Объёмная доля — отношение объёма растворённого вещества к объёму раствора. Объёмная доля измеряется в долях единицы или в процентах.

\upsilon=\frac{V_1}{V},

где:

  • V1 — объём растворённого вещества, л;
  • V — общий объём раствора, л.

Как было указано выше, существуют ареометры, предназначенные для определения концентрации растворов определённых веществ. Такие ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора. Для распространённых растворов этилового спирта, концентрация которых обычно выражается в объёмных процентах, такие ареометры получили название спиртомеров или андрометров.

Молярность (молярная объёмная концентрация)[править | править вики-текст]

Молярная концентрация — количество растворённого вещества (число молей) в единице объёма раствора. Молярная концентрация в системе СИ измеряется в моль/м³, однако на практике её гораздо чаще выражают в моль/л или ммоль/л. Также распространено выражение в «молярности». Возможно другое обозначение молярной концентрации {C_M} , которое принято обозначать М. Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/л называют 0,5-молярным.

Примечание: единица «моль» не склоняется по падежам. После числа пишут «моль», подобно тому, как после числа пишут «см», «кг» и т. п.

{C_M}=\frac{\nu}{V},

где:

Нормальная концентрация (мольная концентрация эквивалента, «нормальность»)[править | править вики-текст]

Нормальная концентрация — количество эквивалентов данного вещества в 1 литре раствора. 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.

{C_H}={C_N}=z\cdot{C_M}=z\cdot\frac{\nu}{V}=\frac{1}{f_{eq}}\cdot\frac{\nu}{V},

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[править | править вики-текст]

Мольная доля — отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов. Мольную долю выражают в долях единицы.

X_j=\frac{\nu_j}{\sum_{i=1}^n \nu_i},

где:

  • νi — количество i-го компонента, моль;
  • n — число компонентов;

Моляльность (молярная весовая концентрация, моляльная концентрация)[править | править вики-текст]

Моляльность — количество растворённого вещества (число моль) в 1000 г растворителя. Измеряется в молях на кг, также распространено выражение в «моляльности». Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/кг называют 0,5-мольным.

m=\frac{\nu}{m_2},

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.

Титр раствора[править | править вики-текст]

Титр раствора — масса растворённого вещества в 1 мл раствора.

T=\frac{m_1}{V},

где:

  • m1 — масса растворённого вещества, г;
  • V — общий объём раствора, мл;

В аналитической химии обычно концентрацию титранта пересчитывают применительно к конкретной реакции титрования таким образом, чтобы объём использованного титранта непосредственного показывал массу определяемого вещества; то есть титр раствора показывает, какой массе определяемого вещества (в граммах) соответствует 1 мл титрованного раствора.

Весообъёмные проценты[править | править вики-текст]

Соответствуют отношению массы одной части вещества (например, 1 г) к 100 частям объёма раствора (например, к 100 мл).[1] Этот способ выражения используют, например, в спектрофотометрии, если неизвестна молярная масса вещества или если неизвестен состав смеси, а также по традиции в фармакопейном анализе.[2]

Другие способы выражения концентрации растворов[править | править вики-текст]

Существуют и другие, распространённые в определённых областях знаний или технологиях, методы выражения концентрации. Например, в фотометрии часто используют массовую концентрацию, равную массе растворённого вещества в 1 л раствора. При приготовлении растворов кислот часто указывают, сколько объёмных частей воды приходится на одну объёмную часть концентрированной кислоты (например, 1:3). Концентрация загрязнений в воздухе может выражаться в частях на миллион (ppm — от англ. parts per million). 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[править | править вики-текст]

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 растворов к другим[править | править вики-текст]

От массовой доли к молярности:

M=\frac{\rho\omega}{M_1},

где:

  • ρ — плотность раствора, г/л;
  • ω — массовая доля растворенного вещества в долях от 1;
  • M1 — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

От молярности к нормальности:

{N}={M}\cdot{z},

где:

От массовой доли к титру:

{T}=0.001{\rho}\cdot{\omega},

где:

  • ρ — плотность раствора, кг/л;
  • ω — массовая доля растворенного вещества в долях от 1;

От молярности к титру:

{T}=0.001{M}\cdot{M_1},

где:

  • M — молярность, моль/л;
  • M1 — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

От молярности к моляльности:

m=\frac{1000M}{1000\rho-MM_1},

где:

  • M — молярность, моль/л;
  • ρ — плотность раствора, г/мл;
  • M1 — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

От моляльности к мольной доле:

X_i=\frac{m_i}{m_i+1000/M_2},

где:

  • mi — моляльность, моль/кг;
  • M2 — молярная масса растворителя, г/моль.

Наиболее распространённые единицы[править | править вики-текст]

Часто используемые единицы
Измеряемая величина Запись Формула Типичная единица
Атомный процент/Атомная доля (A) c_{at.} или at.% \left ( \frac{\rm number~of~atoms~of~dopant \times 100}{\rm number~of~atoms~of~solution} \right )  %
Атомный процент (B) at.% \left ( \frac{\rm number~of~atoms~of~dopant \times 100}{\rm number~of~substitutable~atoms~of~solution} \right )  %
Массовый процент (доля) w или wt% \left ( \frac{\mathrm{grams\ solute} \times 100}{\mathrm{grams\ solution}} \right )  %
Mass-volume percentage - \left ( \frac{\mathrm{grams\ solute} \times 100}{\mathrm{milliliters\ solution}} \right )  % though strictly %г/мл
Volume-volume percentage - \left ( \frac{\mathrm{milliliters\ solute} \times 100}{\mathrm{milliliters\ solution}} \right )  %
Молярность M \left ( \frac{\mathrm{moles\ solute}}{\mathrm{liters\ solution}} \right ) моль/л (или M или моль/дм³)
Molinity - \left ( \frac{\mathrm{moles\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solution}} \right ) моль/кг
Моляльность m \left ( \frac{\mathrm{moles\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solvent}} \right ) моль/кг (или m**)
Мольная доля Χ (хи) \left ( \frac{\mathrm{moles\ solute}}{\mathrm{moles\ solution}} \right ) (decimal)
Formal F \left ( \frac{\mathrm{moles\ undissolved\ solute}}{\mathrm{liters\ solution}} \right ) моль/л (или F)
Нормальность N \left ( \frac{\mathrm{gram\ equivalents}}{\mathrm{liters\ solution}} \right ) N
Частей на сотню  % (или pph) \left ( \frac{\mathrm{dekagrams\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solution}} \right ) даг/кг
Частей на тысячу ‰ (или ppt*) \left ( \frac{\mathrm{grams\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solution}} \right ) г/кг
Частей на миллион ppm \left ( \frac{\mathrm{milligrams\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solution}} \right ) мг/кг
Частей на миллиард ppb \left ( \frac{\mathrm{micrograms\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solution}} \right ) мкг/кг
Частей на триллион ppt* \left ( \frac{\mathrm{nanograms\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solution}} \right ) нг/кг
Частей на квадриллион ppq \left ( \frac{\mathrm{picograms\ solute}}{\mathrm{kilograms\ solution}} \right ) пг/кг


Примечания[править | править вики-текст]

  1. Способы приготовления растворов на МедКурс. Ru
  2. Бернштейн И. Я., Каминский Ю. Л. Спектрофотометрический анализ в органической химии. — 2-е изд. — Ленинград: Химия, 1986. — с. 5