Концентрация смеси

Массовая доля компонента — отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов. По рекомендациям ИЮПАК,[4] обозначается символом ${\displaystyle w}$, в русскоязычной литературе чаще встречается обозначение ${\displaystyle \omega }$. Массовая доля — безразмерная величина, как правило выражается в долях единицы или в процентах (для выражения массовой доли в процентах следует умножить указанное выражение на 100 %):

${\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m}}}$

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 (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.

Объёмная доля компонента — отношение объёма компонента к сумме объёмов компонентов до смешивания. Объёмная доля измеряется в долях единицы или в процентах.

${\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{\sum V_{i}}}}$,

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 андрометров.

Молярная концентрация (молярность, мольность[6]) — 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, записывают «0,5 M».

По рекомендации ИЮПАК, обозначается буквой ${\displaystyle c}$ или ${\displaystyle [B]}$, где B — вещество, концентрация которого указывается.[7]

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

${\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}}$,

где:

• ${\displaystyle n_{\mathrm {B} }}$ — количество вещества компонента, моль;
• V — общий объём смеси, л.

Нормальная концентрация — 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.

${\displaystyle c(f_{eq}~\mathrm {B} )=c{\big (}(1/z)~\mathrm {B} {\big )}=z\cdot c_{\mathrm {B} }=z\cdot {\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}={\frac {1}{f_{eq}}}\cdot {\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}}$,

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 H₂SO₄ будет однонормальным, если он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата калия KHSO₄, и двухнормальным в реакции с образованием K₂SO₄.

Мольная доля — отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов. Мольную долю выражают в долях единицы. ИЮПАК рекомендует обозначать мольную долю буквой ${\displaystyle x}$ (а для газов — ${\displaystyle y}$)[8], также в литературе встречаются обозначения ${\displaystyle \chi }$, ${\displaystyle X}$.

${\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{\sum n_{i}}}}$,

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.

Моляльная концентрация (моляльность,[6] 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.

${\displaystyle {m_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }}}}$,

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, 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 — отношение массы растворённого вещества к объёму раствора. По рекомендации ИЮПАК, обозначается символом ${\displaystyle \gamma }$ или ${\displaystyle \rho }$[9].

${\displaystyle \rho _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{V}}}$.

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 ${\displaystyle T}$).

По рекомендациям ИЮПАК концентрация частиц обозначается буквой ${\displaystyle C}$[10], однако также часто встречается обозначение ${\displaystyle n}$ (не путать с количеством вещества).

${\displaystyle C_{\mathrm {B} }={\frac {N_{\mathrm {B} }}{V}}={\frac {n_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }}{V}}=c_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }}$,

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.

Иногда встречается использование так называемых «весообъёмных процентов»[11], 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.[12] Стоит отметить, что поскольку масса и объём имеют разные размерности, использование процентов для их соотношения формально некорректно. Также международное бюро мер и весов[13] и ИЮПАК[14] не рекомендуют добавлять дополнительные метки (например «% (m/m)» для обозначения массовой доли) к единицам измерения.

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).

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.

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