Interested Article - Концентрация смеси

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 .

Эти стаканы, содержащие красный краситель, демонстрируют качественные изменения концентрации. Растворы слева более разбавлены, по сравнению с более концентрированными растворами справа.

Массовая доля

Массовая доля
определение Массовая доля компонента — отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов.
обозначение w {\displaystyle w} — по рекомендациям ИЮПАК .

ω {\displaystyle \omega } — чаще в русскоязычной литературе.

В технической литературе:

x ¯ {\displaystyle {\bar {x}}} — для массовой доли жидкой смеси

y ¯ {\displaystyle {\bar {y}}} — для массовой доли газовой смеси

единицы измерения доли,

% масс (для выражения в % масс следует умножить указанное выражение на 100 %)

формула ω B = m B m {\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m}}} где:
  • ω B — массовая доля компонента B
  • m B — масса компонента B;
  • m {\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 ϕ B {\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }}
единицы измерения доли единицы,

% об (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %)

формула
ϕ B = V B V i {\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{\sum V_{i}}}} ,

где:

  • ϕ B {\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }} — объёмная доля компонента B,
  • V B — объём компонента B;
  • V i {\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 c {\displaystyle c} или [ B ] {\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
c B = n B V {\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}} ,

где:

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента , « нормальность »)

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента , « нормальность »)
определение Нормальная концентрация — количество эквивалентов данного вещества в 1 литре смеси.
обозначение C N ( B ) {\displaystyle C_{N}(B)} , C H ( B ) {\displaystyle C_{H}(B)} , c ( f e q 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
c ( f e q B ) = c ( ( 1 / z ) B ) = z c B = z n B V = 1 f e q n B V {\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:

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 x {\displaystyle x} (а для газов — y {\displaystyle y} ) , также в литературе встречаются обозначения χ {\displaystyle \chi } , X {\displaystyle X} .
единицы измерения Доли единицы или % мольн (ИЮПАК не рекомендует добавлять дополнительные метки после знака %)
формула
x B = n B n i {\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{\sum n_{i}}}} , где:
  • x B {\displaystyle x_{\mathrm {B} }} — мольная доля компонента B;
  • n B {\displaystyle n_{\mathrm {B} }} — количество компонента B, моль;
  • n i {\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 m {\displaystyle m} Примечание: чтобы не путать с массой, в тех формулах где применяется моляльность, массу обозначают как g {\displaystyle g}
единицы измерения моль/кг.

Также распространено выражение в «моляльности». Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/кг называют 0,5-мольным .

формула
m B = n B m A {\displaystyle {m_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }}}} ,

где:

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 γ {\displaystyle \gamma } или ρ {\displaystyle \rho } — по рекомендации ИЮПАК .

T {\displaystyle T} — в аналитической химии

единицы измерения доли,

% масс (для выражения в % масс следует умножить указанное выражение на 100 %)

формула
ρ B = m B V {\displaystyle \rho _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{V}}} .

где:

  • m B {\displaystyle m_{\mathrm {B} }} — масса растворённого вещества;
  • V {\displaystyle V} — общий объём раствора;

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

Концентрация частиц

определение Концентрация частиц — отношение числа частиц N к объёму V , в котором они находятся
обозначение C {\displaystyle C} — по рекомендации ИЮПАК .

однако также часто встречается обозначение n {\displaystyle n} (не путать с количеством вещества).

единицы измерения м −3 — в системе СИ ,

1/л

формула
C B = N B V = n B N A V = c B N A {\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:

  • N B {\displaystyle N_{\mathrm {B} }} — количество частиц,
  • V {\displaystyle V} — объём,
  • n B {\displaystyle {\ce {n_{\mathrm {B} }}}} — количество вещества B,
  • N A {\displaystyle N_{\mathrm {A} }} постоянная Авогадро ,
  • c B {\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

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

где:

От молярности к титру

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

где:

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

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

где:

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

T = ρ ω {\displaystyle {T}={\rho }\cdot {\omega }} ,

где:

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

От моляльности к молярности

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

где:

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

От моляльности к мольной доле

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

где:

  • m B {\displaystyle m_{\mathrm {B} }} — моляльность,
  • M ( A ) {\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 ω B = m ( B ) m {\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {\mathrm {m} (B)}{\mathrm {m} }}} ω B = ϕ B ρ ( B ) ρ {\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }=\phi _{\mathrm {B} }{\frac {\rho (B)}{\rho }}} ω B = 1 M A M B ( 1 x B 1 ) + 1 {\displaystyle \omega _{B}={\frac {1}{{\frac {M_{\mathrm {A} }}{M_{\mathrm {B} }}}({\frac {1}{x_{\mathrm {B} }}}-1)+1}}} ω B = M B c B ρ {\displaystyle \omega _{B}={\frac {M_{B}\cdot c_{\mathrm {B} }}{\rho }}} ω B = M B c B ρ N A {\displaystyle \omega _{B}={\frac {M_{B}\cdot c_{\mathrm {B} }}{\rho \cdot N_{A}}}} ω B = m B m B + 1 M B {\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {B} }+{\frac {1}{M_{B}}}}}} ω B = T B ρ {\displaystyle \omega _{B}={\frac {T_{B}}{\rho }}}
объёмная доля л/л φ B ϕ B = ω B ρ ( B ) / ρ {\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {\omega _{B}}{\rho (B)/\rho }}} ϕ B = V B V {\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{V}}}
мольная доля моль/моль x B x B = 1 M B M A ( 1 ω B 1 ) + 1 {\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {1}{{\frac {M_{\mathrm {B} }}{M_{\mathrm {A} }}}({\frac {1}{\omega _{B}}}-1)+1}}} x B = n B n {\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{n}}} x B = c B V n {\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {c_{\mathrm {B} }\cdot V}{n}}} x B = m B m B + 1 M A {\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {B} }+{\frac {1}{M_{A}}}}}}
молярность моль/л c B c B = ρ ω B M B {\displaystyle c_{\mathrm {B} }={\frac {\rho \cdot \omega _{B}}{M_{B}}}} c B = x B n V {\displaystyle c_{\mathrm {B} }={\frac {x_{\mathrm {B} }\cdot n}{V}}} c B = n B V {\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}} c B = m B m ( A ) V {\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}=m_{\mathrm {B} }{\frac {\mathrm {m} (A)}{V}}}
нормальность моль-экв/л c((1/z) B) c ( ( 1 / z ) B ) = ρ ω B M B z {\displaystyle c((1/z)~\mathrm {B})={\frac {\rho \cdot \omega _{B}}{M_{B}}}\cdot z} c ( ( 1 / z ) B ) = c B z {\displaystyle {c((1/z)~\mathrm {B})}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {z}}
концентрация частиц 1/л C B C B = ρ ω B M B N A {\displaystyle C_{\mathrm {B} }={\frac {\rho \cdot \omega _{B}}{M_{B}}}\cdot N_{A}} C B = c B N A {\displaystyle C_{\mathrm {B} }=c_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }} C B = N B V {\displaystyle C_{\mathrm {B} }={\frac {N_{\mathrm {B} }}{V}}}
моляльность моль/кг р-ля m B m B = ω B M B ( 1 ω B ) {\displaystyle m_{\mathrm {B} }={\frac {\omega _{B}}{M_{B}(1-\omega _{B})}}} m B = n B m ( A ) {\displaystyle {m_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{\mathrm {m} (A)}}}
титр г/мл T B T B = ρ ω B {\displaystyle {T_{B}}={\rho }\cdot {\omega _{B}}} T B = c B M {\displaystyle {T_{B}}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {M}} T B = m ( B ) V {\displaystyle T_{\mathrm {B} }={\frac {\mathrm {m} (B)}{V}}}
  • m B {\displaystyle m_{\mathrm {B} }} — моляльность вещества B,
  • m ( B ) {\displaystyle \mathrm {m} (B)} — масса вещества B,
  • m ( A ) {\displaystyle \mathrm {m} (A)} — масса растворителя,
  • m {\displaystyle \mathrm {m} } — масса раствора,
  • T B {\displaystyle T_{B}} — титр (массовая концентрация) B,
  • ρ ( B ) {\displaystyle \rho (B)} — плотность вещества B,
  • ρ {\displaystyle \rho } — плотность раствора,
  • V {\displaystyle V} — суммарный объём раствора,
  • N A {\displaystyle N_{\mathrm {A} }} постоянная Авогадро ,
  • N B {\displaystyle N_{\mathrm {B} }} — количество частиц вещества В,
  • n B {\displaystyle n_{\mathrm {B} }} количество вещества В,
  • n {\displaystyle n} — количество раствора,
  • M {\displaystyle M} молярная масса ,

Примечания

  1. International Union of Pure and Applied Chemistry. (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098 . — doi : . 20 июля 2018 года.
  2. International Union of Pure and Applied Chemistry. (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098 . — doi : . 20 августа 2018 года.
  3. IUPAC internet edition: « ».
  4. International Union of Pure and Applied Chemistry. (англ.) . goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. 13 декабря 2018 года.
  5. Z. Sobecka, W. Choiński, P. Majorek. . — Elsevier, 2013-09-24. — С. 641. — 1334 с. — ISBN 9781483284439 .
  6. International Union of Pure and Applied Chemistry. (англ.) . goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. 21 декабря 2018 года.
  7. International Union of Pure and Applied Chemistry. (англ.) . goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. 22 декабря 2018 года.
  8. International Union of Pure and Applied Chemistry. (англ.) . goldbook.iupac.org. Дата обращения: 16 декабря 2018. 7 декабря 2018 года.
  9. International Union of Pure and Applied Chemistry. (англ.) . goldbook.iupac.org. Дата обращения: 11 декабря 2018. 22 декабря 2018 года.
  10. (неопр.) . Дата обращения: 24 апреля 2012. 29 октября 2012 года.
  11. Бернштейн И. Я. , Каминский Ю. Л. Спектрофотометрический анализ в органической химии. — 2-е изд. — Ленинград: Химия, 1986. — с. 5
  12. (неопр.) . www.bipm.org. Дата обращения: 23 декабря 2018. Архивировано из 14 августа 2017 года.
  13. (неопр.) . www.iupac.org. Дата обращения: 23 декабря 2018. Архивировано из 20 декабря 2016 года.

Same as Концентрация смеси