Liuoskonsentraation Laskuri – Molaarisuus, Molaalisuus & Enemmän

Mikä on liuoksen pitoisuuslaskuri?

Liuoksen pitoisuuslaskuri määrittää liuoksessa olevan soluutin määrän, ilmaistuna valittuna yksikkönä. Soluutti on liuoksessa liuenneena oleva aine, kuten suola tai sokeri. Työkalu muuntaa liuenneen aineen massan, sen moolimassan, liuoksen tilavuuden ja liuoksen tiheyden viideksi yleiseksi pitoisuusyksiköksi: molaarisuudeksi, molaalisuudeksi, massaprosentiksi, tilavuusprosentiksi ja miljoonasosiksi (ppm). Tilavuusprosentin laskemiseen tarvitaan vielä liuenneen aineen oma tiheys, joten laskuri pyytää sen, kun tämä yksikkö valitaan.

Pitoisuus kuvaa seoksen vahvuutta. Sama liuos voidaan kuvata useilla tavoilla, ja kukin yksikkö sopii eri tarkoitukseen. Reaktiota sekoittava kemisti käyttää molaarisuutta. Jäätymispisteitä tutkiva fysikaalinen kemisti käyttää molaalisuutta. Vettä tutkiva ympäristölaboratorio käyttää ppm-yksikköä.

Pitoisuusyksiköt selitettyinä

• Molaarisuus (M) — liuenneen aineen ainemäärä mooleina liuoksen litraa kohti. Yleinen yleisessä kemiassa.
• Molaalisuus (m) — liuenneen aineen ainemäärä mooleina liuottimen kilogrammaa kohti. Ei muutu lämpötilan mukaan.
• Massaprosentti (% w/w) — liuenneen aineen massa jaettuna liuoksen massalla ja kerrottuna luvulla 100.
• Tilavuusprosentti (% v/v) — liuenneen aineen tilavuus jaettuna liuoksen tilavuudella ja kerrottuna luvulla 100. Käytetään nesteseoksissa, kuten alkoholijuomissa.
• Miljoonasosat (ppm) — liuenneen aineen massa miljoonaa liuoksen massaosaa kohti. Käytetään hyvin pienille (hiven-)määrille.

Mooli on hiukkasten kiinteä lukumäärä, noin 6,022 × 10²³, jota käytetään atomien tai molekyylien laskemiseen punnitsemalla niitä.

Miten molaarisuus lasketaan

Molaarisuus on liuenneen aineen moolimäärä jaettuna liuoksen tilavuudella litroina:

$M = \frac{\text{liuenneen aineen moolit}}{\text{liuoksen tilavuus (L)}}$

Koska moolimäärä on massa jaettuna moolimassalla, kaava on:

$M = \frac{\text{liuenneen aineen massa (g)}}{\text{moolimassa (g/mol)} \times \text{liuoksen tilavuus (L)}}$

Esimerkki. Liuotetaan 5,85 g natriumkloridia (NaCl, moolimassa 58,44 g/mol) niin paljon veteen, että liuoksen tilavuudeksi tulee 0,1 L:

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

Lopullinen tilavuus on mitattava sen jälkeen, kun aine on liuennut kokonaan, ei ennen sitä. Kiinteän aineen lisääminen tiettyyn vesimäärään kasvattaa kokonaistilavuutta hieman.

Miten molaalisuus lasketaan

Molaalisuus saadaan jakamalla liuenneen aineen moolimäärä liuottimen massalla kilogrammoina liuoksen tilavuuden sijaan:

$m = \frac{\text{liuenneen aineen massa (g)}}{\text{moolimassa (g/mol)} \times \text{liuottimen massa (kg)}}$

Esimerkki. Liuotetaan 5,85 g NaCl:ää täsmälleen 100 g:aan (0,1 kg) vettä:

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

Koska massa ei muutu lämpötilan mukaan, molaalisuus pysyy vakiona liuosta lämmitettäessä tai jäähdytettäessä. Molaarisuus ei pysy, koska tilavuus kasvaa lämmön vaikutuksesta. Siksi molaalisuutta käytetään jäätymispisteen aleneman ja kiehumispisteen kohoamisen tutkimiseen.

Miten massaprosentti lasketaan

Massaprosentti saadaan jakamalla liuenneen aineen massa liuoksen kokonaismassalla ja kertomalla tulos luvulla 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{liuenneen aineen massa}}{\text{liuoksen massa}} \times 100$

Esimerkki. Liuotetaan 10 g sokeria 90 g:aan vettä, jolloin liuoksen kokonaismassaksi tulee 100 g:

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

Kotitalouskäyttöön myytävä vetyperoksidi merkitään tavallisesti pitoisuudella ”3 %”, mikä tarkoittaa 3 g vetyperoksidia 100 g:aa liuosta kohti.

Miten tilavuusprosentti lasketaan

Tilavuusprosentti saadaan jakamalla liuenneen aineen tilavuus liuoksen kokonaistilavuudella:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{liuenneen aineen tilavuus}}{\text{liuoksen tilavuus}} \times 100$

Esimerkki. Sekoitetaan etanolia ja vettä niin, että liuoksen tilavuudeksi tulee 100 mL, käyttäen 15 mL etanolia:

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

Soluutin tilavuutta ei syötetä laskuriin suoraan. Se laskee tilavuuden liuenneen aineen massan ja oman tiheyden perusteella, minkä vuoksi se pyytää tässä tilassa kyseistä tiheyttä:

$\text{liuenneen aineen tilavuus (L)} = \frac{\text{liuenneen aineen massa (g)}}{\text{liuenneen aineen tiheys (g/mL)} \times 1000}$

Kun etanolia syötetään 10 g ja sen tiheys on 0,789 g/mL, etanolin tilavuudeksi saadaan 12,67 mL. 1 L:ssa liuosta tämä on 1,27 % v/v. Liuenneen aineen tiheys ei ole sama kuin liuoksen tiheys, ja liuoksen tiheyden käyttäminen tässä antaisi väärän tuloksen, jos liuennut aine on seosta tiheämpää tai kevyempää.

Tätä yksikköä käytetään juomien alkoholipitoisuuden ilmoittamiseen. Viinin pitoisuus on yleensä 12–14% v/v; väkevien alkoholijuomien pitoisuus on 40 % v/v tai enemmän. Nesteiden tilavuudet eivät aina summaudu sekoitettaessa täsmälleen, joten tarkka liuos mitataan lopulliseen tilavuuteen sen sijaan, että se oletettaisiin osien summaksi.

Miten miljoonasosat (ppm) lasketaan

Miljoonasosia käytetään hyvin laimeille liuoksille. Liuenneen aineen massa jaetaan liuoksen massalla ja kerrotaan miljoonalla:

$\text{ppm} = \frac{\text{liuenneen aineen massa}}{\text{liuoksen massa}} \times 1{,}000{,}000$

Esimerkki. 1 000 g:n vesinäyte sisältää 0,002 g liuennutta lyijyä:

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

Laimeissa vesipohjaisissa liuoksissa 1 ppm vastaa likimäärin 1 milligrammaa liuennutta ainetta liuoksen litraa kohti.

Esimerkkilaskelma: fysiologinen keittosuolaliuos

Fysiologinen keittosuolaliuos on lääketieteessä käytettävä 0,9 %:n suolaliuos, koska sen suolapitoisuus vastaa veriplasman pitoisuutta. Tarkastetaan erä, joka on valmistettu liuottamalla 9 g NaCl:ää lopulliseen 1 L:n tilavuuteen liuoksen tiheyden ollessa 1,005 g/mL:

Ensin lasketaan liuoksen kokonaismassa sen tilavuuden ja tiheyden perusteella:

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

• Massaprosentti: 9 ÷ 1 005 × 100 = 0,90 %
• Molaarisuus: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Molaalisuus: liuottimen massa on 1 005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Miljoonasosat: 9 ÷ 1 005 × 1 000 000 ≈ 8 955 ppm
• Tilavuusprosentti: kiinteän suolan tiheys on 2,165 g/mL, joten 9 g vie tilaa 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42 % v/v

Ppm-arvo ei ole täsmälleen 9 000, koska liuoksen massa on 1 005 g eikä 1 000 g. Ylimääräiset 5 g johtuvat siitä, että liuoksen tiheys on hieman suurempi kuin puhtaan veden.

Muita pitoisuusyksiköitä

Joillakin aloilla käytetään edellä mainittujen viiden yksikön lisäksi muitakin yksiköitä. Normaalisuus (N) ilmaisee reaktiivisten yksiköiden määrän moolien sijaan; rikkihapon (H₂SO₄) liuos, jonka pitoisuus on 1 M, on 2 N, koska jokainen molekyyli voi luovuttaa kaksi vetyionia. Mooliosuus saadaan jakamalla yhden komponentin moolimäärä seoksen kaikkien aineiden yhteenlasketulla moolimäärällä, ja sitä käytetään tislauslaskelmissa. Erittäin laimeissa liuoksissa kemistit siirtyvät ppm-yksiköstä miljardisosien (ppb) tai biljoonasosien (ppt) käyttöön.

Yleisiä virhelähteitä

Laskettu pitoisuus voi poiketa todellisesta pitoisuudesta useista syistä. Kiinteän aineen liuottaminen muuttaa liuoksen kokonaistilavuutta, joten lopullinen tilavuus on mitattava sekoittamisen jälkeen eikä sen oleteta vastaavan alkuperäisen liuottimen tilavuutta. Laboratoriokemikaalit ovat harvoin 100 % puhtaita; ”98,5 % assay” -merkinnällä varustetun reagenssin massaa on lisättävä tämän kompensoimiseksi. Jotkin yhdisteet sisältävät kiderakenteeseensa sitoutunutta vettä eli kidevettä; kuparisulfaattipentahydraatti (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) painaa moolia kohti enemmän kuin vedetön kuparisulfaatti (159,61 g/mol), ja väärän moolimassan käyttäminen muuttaa tulosta. Lämpötilan muutokset muuttavat liuoksen tilavuutta, mikä muuttaa molaarisuutta mutta ei molaalisuutta.

Usein kysyttyä

Mikä on molaarisuuden ja molaalisuuden ero? Molaarisuus lasketaan jakamalla liuoksen tilavuudella litroina. Molaalisuus lasketaan jakamalla liuottimen massalla kilogrammoina. Tilavuus muuttuu lämpötilan mukaan, massa ei. Laimeissa vesipohjaisissa liuoksissa huoneenlämpötilassa arvot ovat lähellä toisiaan.

Miten ppm muunnetaan prosenteiksi? Jaa ppm-arvo luvulla 10 000. Esimerkiksi 5 000 ppm vastaa arvoa 0,5 %.

Onko 1 ppm aina sama kuin 1 mg/L? Vain likimäärin ja ainoastaan laimeissa liuoksissa, joiden tiheys on lähellä arvoa 1 g/mL, kuten useimmissa vesinäytteissä. Tiheämmissä nesteissä arvot poikkeavat toisistaan.

Miksi mitattu pitoisuuteni ei vastaa laskettua pitoisuutta? Yleisiä syitä ovat epäpuhdas reagenssi, liuenneen aineen kiderakenteeseen sitoutunut vesi, liuoksen tilavuuden mittaaminen ennen täydellistä sekoittumista tai liuoksen valmistamiseen käytetystä lämpötilasta poikkeava lämpötila.

Mikä on suurin pitoisuus, jonka liuennut aine voi saavuttaa? Rajan määrää aineen liukoisuus kyseiseen liuottimeen kyseisessä lämpötilassa. Ruokasuolaa liukenee huoneenlämpötilassa veteen enintään noin 36 g 100 mL:aa kohti; tämän jälkeen liukenematonta kiinteää ainetta jää astian pohjalle.

Vaikuttaako lämpötila pitoisuuteen? Kyllä, tilavuuteen perustuvien yksiköiden osalta. Vesi laajenee lämmetessään, joten liuoksen molaarisuus pienenee hieman lämmitettäessä, vaikka liuenneen aineen määrä ei muutu. Massaan perustuvat massaprosentti ja molaalisuus eivät muutu.

Lähteet

1. Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9. painos). W. H. Freeman.
2. Chang, R. ja Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12. painos). McGraw-Hill Education.
3. International Union of Pure and Applied Chemistry. (1997). Compendium of Chemical Terminology (”Gold Book”).
4. National Institute of Standards and Technology. NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/