Концентрация смеси

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Концентрация растворов»)
Перейти к навигации Перейти к поиску

Концентра́ция или до́ля компонента смеси — величина, количественно характеризующая содержание компонента относительное всей смеси. Терминология ИЮПАК под концентрацией компонента понимает четыре величины: соотношение молярного, или численного количества компонента, его массы, или объёма исключительно к объёму раствора[1] (типичные единицы измерения — соответственно моль/л, л−1, г/л, и безразмерная величина). Долей компонента ИЮПАК называет безразмерное соотношение одной из трёх однотипных величин — массы, объёма или количества вещества.[2] Однако в обиходе термин «концентрация» могут применять и для долей, не являющихся объёмными долями, а также к соотношениям, не описанным ИЮПАК. Оба термина могут применяться к любым смесям, включая механические смеси, но наиболее часто применяются к растворам.

Массовая доля[править | править код]

Массовая доля — отношение массы компонента к массе смеси. Массовая доля измеряется в долях единицы или в процентах:

где:

  • ω — массовая доля компонента в долях
  • ω(%) — массовая доля компонента в процентах
  • m1 — масса компонента, г;
  • m — общая масса смеси (для раствора — масса растворённого вещества плюс масса растворителя) г.


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 2406 дней]
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 код]

Объёмная доля — отношение объёма компонента к объёму смеси. Объёмная доля измеряется в долях единицы или в процентах.

,

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 код]

Молярная концентрация (молярность, мольность[3]) — количество вещества (число молей) компонента в единице объёма смеси. Молярная концентрация в системе СИ измеряется в моль/м³, однако на практике её гораздо чаще выражают в 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.

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

,

где:

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)[править | править код]

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

,

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 код]

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

,

где:

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

Моляльность (молярная весовая концентрация, моляльная концентрация)[править | править код]

Моляльная концентрация (моляльность,[3] молярная весовая концентрация) — 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.

,

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 код]

Титр раствора — масса растворённого вещества в 1 мл раствора.

,

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 (массо-объёмные) проценты[править | править код]

Соответствуют отношению массы одной части вещества (например, 1 г) к 100 частям объёма раствора (например, к 100 мл).[4] Этот способ выражения используют, например, в спектрофотометрии, если неизвестна молярная масса вещества или если неизвестен состав смеси, а также по традиции в фармакопейном анализе.[5]

Другие способы выражения концентрации[править | править код]

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 в лабораторной практике 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 код]

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[править | править код]

В зависимости от выбранной формулы погрешность конвертации колеблется от нуля до некоторого знака после запятой.

От массовой доли к молярности:

,

где:

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

От молярности к нормальности:

,

где:

От массовой доли к титру:

,

где:

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

От молярности к титру:

,

где:

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

От молярности к моляльности:

,

где:

  •  — молярность, моль/л;
  • ρ — плотность раствора, г/мл;

От моляльности к мольной доле:

,

где:

  • mi — моляльность, моль/1000г;
  • M — молярная масса растворителя, г/моль.

Наиболее распространённые единицы[править | править код]

Часто используемые единицы
Измеряемая величина Запись Формула Типичная единица
Атомный процент/Атомная доля (A) или at.% %
Атомный процент (B) at.% %
Массовый процент (доля) или wt% %
Mass-volume percentage - % though strictly %г/мл
Volume-volume percentage - %
Молярность M моль/л (или M или моль/дм³)
Molinity - моль/кг
Моляльность m моль/кг (или m**)
Мольная доля Χ (хи) (decimal)
Formal F моль/л (или F)
Нормальность N N
Частей на сотню % (или pph) даг/кг
Частей на тысячу ‰ (или ppt*) г/кг
Частей на миллион ppm мг/кг
Частей на миллиард ppb мкг/кг
Частей на триллион ppt* нг/кг
Частей на квадриллион ppq пг/кг


Примечания[править | править код]

  1. International Union of Pure and Applied Chemistry. concentration (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098. — DOI:10.1351/goldbook.C01222.
  2. International Union of Pure and Applied Chemistry. fraction (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098. — DOI:10.1351/goldbook.F02494.
  3. 1 2 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.
  4. Способы приготовления растворов на МедКурс. Ru
  5. Бернштейн И. Я., Каминский Ю. Л. Спектрофотометрический анализ в органической химии. — 2-е изд. — Ленинград: Химия, 1986. — с. 5