Концентра́ция или до́ля компонента смеси — величина, количественно характеризующая содержание компонента относительно всей смеси. Терминология ИЮПАК под концентрацией компонента понимает четыре величины: соотношение молярного, или численного количества компонента, его массы , или объёма исключительно к объёму раствора (типичные единицы измерения — соответственно моль/л, л ⁻¹ , г/л, и безразмерная величина ). Долей компонента ИЮПАК называют безразмерное соотношение одной из трёх однотипных величин — массы, объёма или количества вещества. 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 .

Можно выделить несколько типов математического описания: массовая концентрация, молярная концентрация, концентрация частиц и объемная концентрация .

Массовая доля

Массовая доля

определение	Массовая доля компонента — отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов.
обозначение	${\displaystyle w}$ — по рекомендациям ИЮПАК . ${\displaystyle \omega }$ — чаще в русскоязычной литературе. В технической литературе: ${\displaystyle {\bar {x}}}$ — для массовой доли жидкой смеси ${\displaystyle {\bar {y}}}$ — для массовой доли газовой смеси
единицы измерения	доли, % масс (для выражения в % масс следует умножить указанное выражение на 100 %)
формула	${\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m}}}$ где: ω B — массовая доля компонента B m B — масса компонента B; ${\displaystyle m}$ — общая масса всех компонентов смеси.

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 ( , 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 , ), предназначенные для определения концентрации растворов веществ.

Объёмная доля

Объёмная доля

определение	Объёмная доля — отношение объёма компонента к сумме объёмов компонентов до смешивания.
обозначение	${\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }}$
единицы измерения	доли единицы, % об (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %)
формула	${\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{\sum V_{i}}}}$ , где: ${\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }}$ — объёмная доля компонента B, V B — объём компонента B; ${\displaystyle \sum V_{i}}$ — сумма объёмов всех компонентов до смешивания.

При смешивании жидкостей их суммарный объём может уменьшаться, поэтому не следует заменять сумму объёмов компонентов на объём смеси.

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 .

Молярность ( молярная объёмная концентрация )

Молярная концентрация (молярность, мольность )

определение	Молярность — количество вещества (число молей) компонента в единице объёма смеси.
обозначение	По рекомендации ИЮПАК, обозначается буквой ${\displaystyle c}$ или ${\displaystyle [B]}$ , где B — вещество, концентрация которого указывается.
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	${\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}}$ , где: ${\displaystyle n_{\mathrm {B} }}$ — количество вещества компонента, моль; V — общий объём смеси, л

Нормальная концентрация ( молярная концентрация эквивалента , « нормальность »)

Нормальная концентрация ( молярная концентрация эквивалента , « нормальность »)

определение	Нормальная концентрация — количество эквивалентов данного вещества в 1 литре смеси.
обозначение	${\displaystyle C_{N}(B)}$ , ${\displaystyle C_{H}(B)}$ , ${\displaystyle c(f_{eq}~\mathrm {B} )}$
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	${\displaystyle c(f_{eq}~\mathrm {B} )=c{\big (}(1/z)~\mathrm {B} {\big )}=z\cdot c_{\mathrm {B} }=z\cdot {\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}={\frac {1}{f_{eq}}}\cdot {\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}}$ , где: ${\displaystyle n_{\mathrm {B} }}$ — количество вещества компонента, моль; ${\displaystyle V}$ — общий объём смеси, литров; ${\displaystyle z}$ — число эквивалентности ( фактор эквивалентности ${\displaystyle f_{eq}=1/z}$ ).

Нормальная концентрация может отличаться в зависимости от реакции, в которой участвует вещество. Например, одномолярный раствор H ₂ SO ₄ будет однонормальным, если он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата калия KHSO ₄ , и двухнормальным в реакции с образованием K ₂ SO ₄ .

Мольная ( молярная ) доля

Мольная ( молярная ) доля

определение	Мольная доля — отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов.
обозначение	ИЮПАК рекомендует обозначать мольную долю буквой ${\displaystyle x}$ (а для газов — ${\displaystyle y}$ ) , также в литературе встречаются обозначения ${\displaystyle \chi }$ , ${\displaystyle X}$ .
единицы измерения	Доли единицы или % мольн (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %)
формула	${\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{\sum n_{i}}}}$ , где: ${\displaystyle x_{\mathrm {B} }}$ — мольная доля компонента B; ${\displaystyle n_{\mathrm {B} }}$ — количество компонента B, моль; ${\displaystyle \sum n_{i}}$ — сумма количеств всех компонентов.

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 )

Моляльная концентрация (моляльность, молярная весовая концентрация)

определение	Моляльная концентрация (моляльность, молярная весовая концентрация) — количество растворённого вещества (число моль) в 1000 г растворителя.
обозначение	${\displaystyle m}$ Примечание: чтобы не путать с массой, в тех формулах где применяется моляльность, массу обозначают как ${\displaystyle g}$
единицы измерения	моль/кг. Также распространено выражение в «моляльности». Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/кг называют 0,5-мольным .
формула	${\displaystyle {m_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }}}}$ , где: ${\displaystyle n_{\mathrm {B} }}$ — количество растворённого вещества , моль ; ${\displaystyle m_{\mathrm {A} }}$ — масса растворителя, кг.

Следует обратить особое внимание, что, несмотря на сходство названий, моля р ная концентрация и моля л ьность — 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)

Массовая концентрация (Титр)

определение	Массовая концентрация — отношение массы растворённого вещества к объёму раствора.
обозначение	${\displaystyle \gamma }$ или ${\displaystyle \rho }$ — по рекомендации ИЮПАК . ${\displaystyle T}$ — в аналитической химии
единицы измерения	доли, % масс (для выражения в % масс следует умножить указанное выражение на 100 %)
формула	${\displaystyle \rho _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{V}}}$ . где: ${\displaystyle m_{\mathrm {B} }}$ — масса растворённого вещества; ${\displaystyle V}$ — общий объём раствора;

В аналитической химии используется понятие титр по растворённому или по определяемому веществу (обозначается буквой ${\displaystyle T}$ ).

Концентрация частиц

определение	Концентрация частиц — отношение числа частиц N к объёму V , в котором они находятся
обозначение	${\displaystyle C}$ — по рекомендации ИЮПАК . однако также часто встречается обозначение ${\displaystyle n}$ (не путать с количеством вещества).
единицы измерения	м −3 — в системе СИ , 1/л
формула	${\displaystyle C_{\mathrm {B} }={\frac {N_{\mathrm {B} }}{V}}={\frac {n_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }}{V}}=c_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }}$ , где: ${\displaystyle N_{\mathrm {B} }}$ — количество частиц, ${\displaystyle V}$ — объём, ${\displaystyle {\ce {n_{\mathrm {B} }}}}$ — количество вещества B, ${\displaystyle N_{\mathrm {A} }}$ — постоянная Авогадро , ${\displaystyle c_{\mathrm {B} }}$ — молярная концентрация B.

Весообъёмные (массо-объёмные) проценты

Иногда встречается использование так называемых «весообъёмных процентов» , 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. Стоит отметить, что поскольку масса и объём имеют разные размерности, использование процентов для их соотношения формально некорректно. Также международное бюро мер и весов и ИЮПАК 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

${\displaystyle {c((1/z)~\mathrm {B} )}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {z}}$ ,

где:

• ${\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}}$ — молярная концентрация, моль/л;
• ${\displaystyle z}$ — число эквивалентности .

От молярности к титру

${\displaystyle {T}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {M}}$ ,

где:

• ${\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}}$ — молярная концентрация;
• ${\displaystyle M}$ — 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

${\displaystyle c_{\mathrm {B} }={\frac {\rho \cdot \omega _{\mathrm {B} }}{M(\mathrm {B} )}}}$ ,

где:

• ${\displaystyle c_{\mathrm {B} }}$ — молярная концентрация вещества B
• ${\displaystyle \rho }$ — плотность раствора;
• ${\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }}$ — массовая доля вещества B;
• ${\displaystyle M(\mathrm {B} )}$ — 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

${\displaystyle {T}={\rho }\cdot {\omega }}$ ,

где:

• ${\displaystyle \rho }$ — плотность раствора, г/мл;
• ${\displaystyle \omega }$ — массовая доля растворённого вещества, в долях от 1;

От моляльности к молярности

${\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}=m_{\mathrm {B} }{\frac {\mathrm {m} (A)}{V}}}$

где:

• ${\displaystyle m_{\mathrm {B} }}$ — моляльность,
• ${\displaystyle \mathrm {m} (A)}$ — масса растворителя,
• ${\displaystyle V}$ — суммарный объём раствора,

От моляльности к мольной доле

${\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {B} }+{\frac {1}{M(\mathrm {A} )}}}}}$ ,

где:

• ${\displaystyle m_{\mathrm {B} }}$ — моляльность,
• ${\displaystyle M(\mathrm {A} )}$ — 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

Формулы перехода от одних выражений концентраций к другим

			ω B	φ B	x B	c B	C B	m B	T B
массовая доля	г/г	ω B	${\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {\mathrm {m} (B)}{\mathrm {m} }}}$	${\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }=\phi _{\mathrm {B} }{\frac {\rho (B)}{\rho }}}$	${\displaystyle \omega _{B}={\frac {1}{{\frac {M_{\mathrm {A} }}{M_{\mathrm {B} }}}({\frac {1}{x_{\mathrm {B} }}}-1)+1}}}$	${\displaystyle \omega _{B}={\frac {M_{B}\cdot c_{\mathrm {B} }}{\rho }}}$	${\displaystyle \omega _{B}={\frac {M_{B}\cdot c_{\mathrm {B} }}{\rho \cdot N_{A}}}}$	${\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {B} }+{\frac {1}{M_{B}}}}}}$	${\displaystyle \omega _{B}={\frac {T_{B}}{\rho }}}$
объёмная доля	л/л	φ B	${\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {\omega _{B}}{\rho (B)/\rho }}}$	${\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{V}}}$
мольная доля	моль/моль	x B	${\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {1}{{\frac {M_{\mathrm {B} }}{M_{\mathrm {A} }}}({\frac {1}{\omega _{B}}}-1)+1}}}$		${\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{n}}}$	${\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {c_{\mathrm {B} }\cdot V}{n}}}$		${\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {B} }+{\frac {1}{M_{A}}}}}}$
молярность	моль/л	c B	${\displaystyle c_{\mathrm {B} }={\frac {\rho \cdot \omega _{B}}{M_{B}}}}$		${\displaystyle c_{\mathrm {B} }={\frac {x_{\mathrm {B} }\cdot n}{V}}}$	${\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}}$		${\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}=m_{\mathrm {B} }{\frac {\mathrm {m} (A)}{V}}}$
нормальность	моль-экв/л	c((1/z) B)	${\displaystyle c((1/z)~\mathrm {B} )={\frac {\rho \cdot \omega _{B}}{M_{B}}}\cdot z}$			${\displaystyle {c((1/z)~\mathrm {B} )}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {z}}$
концентрация частиц	1/л	C B	${\displaystyle C_{\mathrm {B} }={\frac {\rho \cdot \omega _{B}}{M_{B}}}\cdot N_{A}}$			${\displaystyle C_{\mathrm {B} }=c_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }}$	${\displaystyle C_{\mathrm {B} }={\frac {N_{\mathrm {B} }}{V}}}$
моляльность	моль/кг р-ля	m B	${\displaystyle m_{\mathrm {B} }={\frac {\omega _{B}}{M_{B}(1-\omega _{B})}}}$					${\displaystyle {m_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{\mathrm {m} (A)}}}$
титр	г/мл	T B	${\displaystyle {T_{B}}={\rho }\cdot {\omega _{B}}}$			${\displaystyle {T_{B}}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {M}}$			${\displaystyle T_{\mathrm {B} }={\frac {\mathrm {m} (B)}{V}}}$

• ${\displaystyle m_{\mathrm {B} }}$ — моляльность вещества B,
• ${\displaystyle \mathrm {m} (B)}$ — масса вещества B,
• ${\displaystyle \mathrm {m} (A)}$ — масса растворителя,
• ${\displaystyle \mathrm {m} }$ — масса раствора,
• ${\displaystyle T_{B}}$ — титр (массовая концентрация) B,
• ${\displaystyle \rho (B)}$ — плотность вещества B,
• ${\displaystyle \rho }$ — плотность раствора,
• ${\displaystyle V}$ — суммарный объём раствора,
• ${\displaystyle N_{\mathrm {A} }}$ — постоянная Авогадро ,
• ${\displaystyle N_{\mathrm {B} }}$ — количество частиц вещества В,
• ${\displaystyle n_{\mathrm {B} }}$ — количество вещества В,
• ${\displaystyle n}$ — количество раствора,
• ${\displaystyle M}$ — молярная масса ,

Примечания