Калкулатор за концентрация на разтвор – Моларност, Моларност и други

Какво представлява калкулаторът за концентрация на разтвор?

Калкулаторът за концентрация на разтвор определя количеството разтворено вещество в разтвора, изразено в избрана единица. Разтвореното вещество е веществото, което се разтваря, например сол или захар. Този инструмент преобразува масата на разтвореното вещество, молекулната му маса, обема на разтвора и плътността на разтвора в пет често използвани единици за концентрация: моларност, молалност, масов процент, обемен процент и части на милион (ppm). За обемния процент е необходима още една стойност — собствената плътност на разтвореното вещество, затова калкулаторът я изисква, когато е избрана тази единица.

Концентрацията описва съдържанието на разтвореното вещество в сместа. Един и същ разтвор може да бъде описан по няколко начина, като всяка единица е подходяща за различна цел. Химик, който смесва реакция, използва моларност. Физикохимик, който изследва температурите на замръзване, използва молалност. Екологична лаборатория, която изследва вода, използва ppm.

Обяснение на единиците за концентрация

• Моларност (M) — молове разтворено вещество на литър разтвор. Често се използва в общата химия.
• Молалност (m) — молове разтворено вещество на килограм разтворител. Не се променя с температурата.
• Масов процент (% w/w) — масата на разтвореното вещество, разделена на масата на разтвора и умножена по 100.
• Обемен процент (% v/v) — обемът на разтвореното вещество, разделен на обема на разтвора и умножен по 100. Използва се за течни смеси, например алкохолни напитки.
• Части на милион (ppm) — масата на разтвореното вещество на един милион масови части от разтвора. Използва се за много малки количества (следи).

Молът е фиксиран брой частици (около 6,022 × 10²³), използван за преброяване на атоми или молекули чрез претеглянето им.

Как се изчислява моларност

Моларността е броят молове разтворено вещество, разделен на обема на разтвора в литри:

$M = \frac{\text{молове разтворено вещество}}{\text{обем на разтвора (L)}}$

Тъй като броят молове е равен на масата, разделена на молекулната маса, формулата става:

$M = \frac{\text{маса на разтвореното вещество (g)}}{\text{молекулна маса (g/mol)} \times \text{обем на разтвора (L)}}$

Пример. Разтварят се 5,85 g натриев хлорид (NaCl, молекулна маса 58,44 g/mol) в достатъчно вода, за да се получат 0,1 l разтвор:

$M = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ mol/L}$

Крайният обем трябва да се измери след пълното разтваряне на разтвореното вещество, а не преди това. Добавянето на твърдо вещество към определен обем вода леко увеличава общия обем.

Как се изчислява молалност

Молалността се изчислява чрез разделяне на броя молове разтворено вещество на масата на разтворителя в килограми, вместо на обема на разтвора:

$m = \frac{\text{маса на разтвореното вещество (g)}}{\text{молекулна маса (g/mol)} \times \text{маса на разтворителя (kg)}}$

Пример. Разтварят се 5,85 g NaCl точно в 100 g (0,1 kg) вода:

$m = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ mol/kg}$

Тъй като масата не се променя с температурата, молалността остава постоянна при нагряване или охлаждане на разтвора. Моларността не остава постоянна, защото обемът се разширява при нагряване. Затова молалността се използва за изследване на понижението на температурата на замръзване и повишението на температурата на кипене.

Как се изчислява масов процент

Масовият процент е масата на разтвореното вещество, разделена на общата маса на разтвора и умножена по 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{маса на разтвореното вещество}}{\text{маса на разтвора}} \times 100$

Пример. Разтварят се 10 g захар в 90 g вода, при което общата маса на разтвора е 100 g:

$\%\text{ w/w} = \frac{10}{100} \times 100 = 10\%$

Водородният пероксид за битова употреба обикновено е означен като „3%“, което означава 3 g водороден пероксид на 100 g разтвор.

Как се изчислява обемен процент

Обемният процент се изчислява чрез разделяне на обема на разтвореното вещество на общия обем на разтвора:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{обем на разтвореното вещество}}{\text{обем на разтвора}} \times 100$

Пример. Смесват се етанол и вода до получаване на 100 ml разтвор, като се използват 15 ml етанол:

$\%\text{ v/v} = \frac{15}{100} \times 100 = 15\%$

На калкулатора не се задава директно обемът на разтвореното вещество. Той изчислява обема от масата на разтвореното вещество и собствената му плътност, затова в този режим изисква тази плътност:

$\text{обем на разтвореното вещество (L)} = \frac{\text{маса на разтвореното вещество (g)}}{\text{плътност на разтвореното вещество (g/mL)} \times 1000}$

Въвеждането на 10 g етанол с плътност 0,789 g/mL дава 12,67 ml етанол. В 1 l разтвор това е 1,27% v/v. Плътността на разтвореното вещество не е същата като плътността на разтвора и използването на плътността на разтвора тук би дало грешен резултат за всяко разтворено вещество, което е по-плътно или по-леко от сместа.

Това е единицата, използвана за алкохолното съдържание на напитките. Виното обикновено е 12–14% v/v, а дестилираните спиртни напитки са 40% v/v или повече. Обемите на течностите не винаги се сумират точно при смесване, затова точният разтвор се измерва до краен обем, вместо той да се приема за сумата на съставните обеми.

Как се изчисляват части на милион (ppm)

Части на милион се използват за много разредени разтвори. Масата на разтвореното вещество се разделя на масата на разтвора и се умножава по един милион:

$\text{ppm} = \frac{\text{маса на разтвореното вещество}}{\text{маса на разтвора}} \times 1{,}000{,}000$

Пример. Водна проба от 1 000 g съдържа 0,002 g разтворено олово:

$\text{ppm} = \frac{0.002}{1000} \times 1{,}000{,}000 = 2 \text{ ppm}$

При разредени разтвори на водна основа 1 ppm е приблизително равно на 1 милиграм разтворено вещество на литър разтвор.

Пример с изчисления: физиологичен разтвор

Физиологичният разтвор е 0,9% солен разтвор, използван в медицината, защото съответства на концентрацията на сол в кръвната плазма. За проверка на партида, приготвена от 9 g NaCl, разтворен до краен обем 1 l, с плътност на разтвора 1,005 g/mL:

Първо се намира общата маса на разтвора от неговия обем и плътност:

$\text{маса} = 1 \text{ L} \times 1.005 \text{ g/mL} \times 1000 = 1{,}005 \text{ g}$

• Масов процент: 9 ÷ 1 005 × 100 = 0,90%
• Моларност: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Молалност: масата на разтворителя е 1 005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Части на милион: 9 ÷ 1 005 × 1 000 000 ≈ 8 955 ppm
• Обемен процент: твърдата сол има плътност 2,165 g/mL, така че 9 g заема 4,157 ml; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42% v/v

Стойността в ppm не е точно 9 000, защото масата на разтвора е 1 005 g, а не 1 000 g. Допълнителните 5 g се дължат на това, че плътността на разтвора е малко по-висока от тази на чистата вода.

Други единици за концентрация

В някои области се използват и единици извън посочените пет. Нормалност (N) отчита реактивни единици вместо молове; разтвор на сярна киселина (H₂SO₄) с концентрация 1 M е 2 N, защото всяка молекула може да отдаде два водородни йона. Молната част е отношението на моловете на един компонент към общия брой молове на всички вещества в сместа и се използва при изчисления на дестилация. При изключително разредени разтвори химиците преминават от ppm към части на милиард (ppb) или части на трилион (ppt).

Чести източници на грешки

Изчислената концентрация може да се различава от действителната по няколко причини. Разтварянето на твърдо вещество променя общия обем на разтвора, затова крайният обем трябва да се измери след смесването, а не да се приема за равен на началния обем на разтворителя. Лабораторните химикали рядко са 100% чисти; реагент с означена чистота 98,5% изисква увеличаване на масата му за компенсация. Някои съединения съдържат вода, свързана в кристалната им структура, наречена кристализационна вода; медният сулфат пентахидрат (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) има по-голяма маса на мол от безводния меден сулфат (159,61 g/mol), а използването на грешна молекулна маса променя резултата. Температурата променя обема на разтвора, което променя моларността, но не и молалността.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между моларност и молалност? Моларността се изчислява спрямо обема на разтвора в литри. Молалността се изчислява спрямо масата на разтворителя в килограми. Обемът се променя с температурата, а масата — не. При разредени разтвори на водна основа на стайна температура двете стойности са близки.

Как се преобразуват ppm в проценти? Стойността в ppm се разделя на 10 000. Например 5 000 ppm е равно на 0,5%.

1 ppm винаги ли е равно на 1 mg/L? Само приблизително и само при разредени разтвори, чиято плътност е близка до 1 g/mL, каквито са повечето водни проби. При по-плътни течности двете стойности се различават.

Защо измерената ми концентрация не съвпада с изчислената? Честите причини включват нечист реагент, вода, свързана в кристалната структура на разтвореното вещество, обем на разтвора, измерен преди пълното смесване, или температура, различна от тази при приготвянето на разтвора.

Каква е максималната концентрация, която може да достигне разтвореното вещество? Границата се определя от разтворимостта на веществото в дадения разтворител при съответната температура. Готварската сол се разтваря до около 36 g на 100 ml вода при стайна температура; над това количество неразтворено твърдо вещество остава на дъното на съда.

Температурата влияе ли върху концентрацията? Да, при единиците, основани на обем. Водата се разширява при нагряване, затова моларността на разтвора леко намалява, макар количеството разтворено вещество да не се е променило. Масовият процент и молалността, които се основават на масата, не се влияят.

Източници

1. Харис, D. C. (2015). Количествен химичен анализ (9-о изд.). W. H. Freeman.
2. Чанг, R., и Голдсби, K. A. (2015). Химия (12-о изд.). McGraw-Hill Education.
3. Международен съюз по чиста и приложна химия. (1997). Компендиум на химичната терминология („Златната книга“).
4. Национален институт за стандарти и технологии. NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/