Tirpalo Koncentracijos Skaičiuoklė – Molarinė, Mališkoji ir kt.

Kas yra tirpalo koncentracijos skaičiuotuvas?

Tirpalo koncentracijos skaičiuotuvas nustato, kiek tirpinio yra ištirpę tirpale, išreikšdamas tai pasirinktu vienetu. Tirpinys yra tirpinama medžiaga, pavyzdžiui, druska ar cukrus. Šis įrankis tirpinio masę, jo molekulinę masę, tirpalo tūrį ir tirpalo tankį paverčia į penkis įprastus koncentracijos vienetus: molinę koncentraciją, molališkumą, masės procentus, tūrio procentus ir dalis milijonui (ppm). Tūrio procentams reikia dar vieno dydžio – paties tirpinio tankio, todėl pasirinkus šį vienetą skaičiuotuvas jo paprašo.

Koncentracija apibūdina mišinio stiprumą. Tą patį tirpalą galima apibūdinti keliais būdais, o kiekvienas vienetas tinka kitokiam tikslui. Reakciją atliekantis chemikas naudoja molinę koncentraciją. Fizinės chemijos specialistas, tiriantis užšalimo temperatūras, naudoja molališkumą. Aplinkos tyrimų laboratorija, tirianti vandenį, naudoja ppm.

Koncentracijos vienetų paaiškinimas

• Molinė koncentracija (M) — tirpinio molių skaičius viename tirpalo litre. Dažnai naudojama bendrojoje chemijoje.
• Molališkumas (m) — tirpinio molių skaičius viename tirpiklio kilograme. Jis nekinta keičiantis temperatūrai.
• Masės procentai (% m/m) — tirpinio masė, padalyta iš tirpalo masės ir padauginta iš 100.
• Tūrio procentai (% t/t) — tirpinio tūris, padalytas iš tirpalo tūrio ir padaugintas iš 100. Naudojama skystiems mišiniams, pavyzdžiui, alkoholiniams gėrimams.
• Dalys milijonui (ppm) — tirpinio masės dalių skaičius, tenkantis milijonui tirpalo masės dalių. Naudojama labai mažiems, pėdsakiniams kiekiams.

Molis yra pastovus dalelių skaičius (maždaug 6,022 × 10²³), naudojamas atomams ar molekulėms skaičiuoti juos pasveriant.

Kaip apskaičiuoti molinę koncentraciją

Molinė koncentracija yra tirpinio molių skaičius, padalytas iš tirpalo tūrio litrais:

$M = \frac{\text{ištirpusios medžiagos molių skaičius}}{\text{tirpalo tūris (l)}}$

Kadangi molių skaičius lygus masei, padalytai iš molekulinės masės, formulė tampa tokia:

$M = \frac{\text{tirpinio masė (g)}}{\text{molekulinė masė (g/mol)} \times \text{tirpalo tūris (l)}}$

Pavyzdys. Ištirpinama 5,85 g natrio chlorido (NaCl, molekulinė masė 58,44 g/mol) tokiame vandens kiekyje, kad tirpalo tūris būtų 0,1 L:

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

Galutinį tūrį reikia išmatuoti tirpiniui visiškai ištirpus, o ne anksčiau. Įpylus kietosios medžiagos į nustatytą vandens tūrį, bendras tūris šiek tiek padidėja.

Kaip apskaičiuoti molališkumą

Molališkumas yra tirpinio molių skaičius, padalytas ne iš tirpalo tūrio, o iš tirpiklio masės kilogramais:

$m = \frac{\text{tirpinio masė (g)}}{\text{molekulinė masė (g/mol)} \times \text{tirpiklio masė (kg)}}$

Pavyzdys. Ištirpinama 5,85 g NaCl tiksliai 100 g (0,1 kg) vandens:

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

Kadangi masė keičiantis temperatūrai nekinta, molališkumas išlieka pastovus tirpalą šildant ar vėsinant. Molinė koncentracija kinta, nes tūris nuo šilumos plečiasi. Todėl molališkumas naudojamas tiriant užšalimo temperatūros sumažėjimą ir virimo temperatūros padidėjimą.

Kaip apskaičiuoti masės procentus

Masės procentai yra tirpinio masė, padalyta iš bendros tirpalo masės ir padauginta iš 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{ištirpusios medžiagos masė}}{\text{tirpalo masė}} \times 100$

Pavyzdys. Ištirpinama 10 g cukraus 90 g vandens; bendra tirpalo masė yra 100 g:

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

Buitiniam naudojimui parduodamas vandenilio peroksidas dažniausiai ženklinamas „3 %“, o tai reiškia 3 g vandenilio peroksido 100 g tirpalo.

Kaip apskaičiuoti tūrio procentus

Tūrio procentai yra tirpinio tūris, padalytas iš bendro tirpalo tūrio:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{tirpinio tūris}}{\text{tirpalo tūris}} \times 100$

Pavyzdys. Etanolis sumaišomas su vandeniu, kad būtų gauta 100 mL tirpalo, naudojant 15 mL etanolio:

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

Skaičiuotuvui tirpinio tūris nepateikiamas tiesiogiai. Jis apskaičiuoja tūrį pagal tirpinio masę ir paties tirpinio tankį, todėl šiame režime prašo nurodyti tankį:

$\text{tirpinio tūris (l)} = \frac{\text{tirpinio masė (g)}}{\text{tirpinio tankis (g/ml)} \times 1000}$

Įvedus 10 g etanolio, kurio tankis yra 0,789 g/ml, gaunama 12,67 mL etanolio. 1 L tirpale tai sudaro 1,27 % t/t. Tirpinio tankis nėra toks pats kaip tirpalo tankis, todėl naudojant tirpalo tankį būtų gautas neteisingas rezultatas, jei tirpinys būtų tankesnis arba retesnis už mišinį.

Šis vienetas naudojamas alkoholio kiekiui gėrimuose nurodyti. Vyne alkoholio paprastai yra 12–14% tūrio, o distiliuotuose gėrimuose – 40 % tūrio arba daugiau. Maišant skysčių tūriai ne visada tiksliai susideda, todėl tikslus tirpalo tūris nustatomas išmatavus galutinį tūrį, o ne darant prielaidą, kad jis lygus sudedamųjų dalių tūrių sumai.

Kaip apskaičiuoti dalis milijonui (ppm)

Dalys milijonui naudojamos labai praskiestiems tirpalams. Tirpinio masė padalijama iš tirpalo masės ir padauginama iš vieno milijono:

$\text{ppm} = \frac{\text{ištirpusios medžiagos masė}}{\text{tirpalo masė}} \times 1{,}000{,}000$

Pavyzdys. 1 000 g vandens mėginyje yra 0,002 g ištirpusio švino:

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

Praskiestuose vandeniniuose tirpaluose 1 ppm apytiksliai atitinka 1 miligramą tirpinio viename tirpalo litre.

Skaičiavimo pavyzdys: fiziologinis tirpalas

Fiziologinis tirpalas yra 0,9 % druskos tirpalas, naudojamas medicinoje, nes jo druskos koncentracija atitinka kraujo plazmos koncentraciją. Patikrinkime partiją, pagamintą iš 9 g NaCl, ištirpinto iki 1 L galutinio tūrio, kai tirpalo tankis yra 1,005 g/ml:

Pirmiausia pagal tūrį ir tankį nustatykime bendrą tirpalo masę:

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

• Masės procentai: 9 ÷ 1 005 × 100 = 0,90 %
• Molinė koncentracija: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/l
• Molališkumas: tirpiklio masė yra 1 005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Dalys milijonui: 9 ÷ 1 005 × 1 000 000 ≈ 8 955 ppm
• Tūrio procentai: kietosios druskos tankis yra 2,165 g/ml, todėl 9 g užima 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42 % t/t

Ppm reikšmė nėra tiksliai 9 000, nes tirpalo masė yra 1 005 g, o ne 1 000 g. Papildomi 5 g atsiranda todėl, kad tirpalo tankis yra šiek tiek didesnis už gryno vandens tankį.

Kiti koncentracijos vienetai

Kai kuriose srityse naudojami ir kiti, nei pirmiau išvardyti, vienetai. Normalumas (N) skaičiuoja reaktyviuosius vienetus, o ne molius; sieros rūgšties (H₂SO₄) tirpalas, kurio koncentracija yra 1 M, yra 2 N, nes kiekviena molekulė gali atiduoti du vandenilio jonus. Molinė dalis apskaičiuojama vieno komponento molių skaičių padalijus iš bendro mišinio molių skaičiaus; ji naudojama distiliavimo skaičiavimuose. Itin praskiestuose tirpaluose chemikai vietoj ppm naudoja dalis milijardui (ppb) arba dalis trilijonui (ppt).

Dažniausios klaidų priežastys

Apskaičiuota koncentracija dėl kelių priežasčių gali skirtis nuo tikrosios. Ištirpinus kietąją medžiagą, bendras tirpalo tūris pasikeičia, todėl galutinį tūrį reikia išmatuoti sumaišius, o ne laikyti jį lygiu pradiniam tirpiklio tūriui. Laboratorinės cheminės medžiagos retai būna 100 % grynos; reagentui, pažymėtam „98,5 % grynumo“, reikia padidinti jo masę, kad būtų kompensuotas grynumo trūkumas. Kai kuriuose junginiuose yra kristalinėje struktūroje susijungusio vandens, vadinamo kristalizaciniu vandeniu; vario sulfato pentahidratas (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) vienam moliui sveria daugiau nei bevandenis vario sulfatas (159,61 g/mol), todėl naudojant neteisingą molekulinę masę pasikeičia rezultatas. Temperatūra keičia tirpalo tūrį, todėl keičia molinę koncentraciją, bet ne molališkumą.

Dažnai užduodami klausimai

Kuo skiriasi molinė koncentracija ir molališkumas? Molinė koncentracija apskaičiuojama dalijant iš tirpalo tūrio litrais. Molališkumas apskaičiuojamas dalijant iš tirpiklio masės kilogramais. Tūris priklauso nuo temperatūros, o masė – ne. Praskiestuose vandeniniuose tirpaluose kambario temperatūroje šios dvi reikšmės yra artimos.

Kaip ppm paversti procentais? Ppm reikšmę padalykite iš 10 000. Pavyzdžiui, 5 000 ppm yra lygu 0,5 %.

Ar 1 ppm visada lygu 1 mg/l? Tik apytiksliai ir tik praskiestuose tirpaluose, kurių tankis artimas 1 g/ml, pavyzdžiui, daugumos vandens mėginių. Tankesniuose skysčiuose šios dvi reikšmės skiriasi.

Kodėl mano išmatuota koncentracija nesutampa su apskaičiuotąja? Dažnos priežastys yra negrynas reagentas, tirpinio kristalinėje struktūroje susijungęs vanduo, tirpalo tūris, išmatuotas prieš visiškai sumaišant, arba kitokia nei tirpalui paruošti naudota temperatūra.

Kokią didžiausią koncentraciją gali pasiekti tirpinys? Ribą lemia tirpinio tirpumas tame tirpiklyje esant tai temperatūrai. Kambario temperatūroje 100 mL vandens ištirpsta iki maždaug 36 g valgomosios druskos; viršijus šį kiekį, indo dugne lieka neištirpusios kietosios medžiagos.

Ar temperatūra turi įtakos koncentracijai? Taip, vienetams, pagrįstiems tūriu. Šylant vanduo plečiasi, todėl šildomo tirpalo molinė koncentracija šiek tiek mažėja, nors tirpinio kiekis nepasikeičia. Masės procentams ir molališkumui, kurie pagrįsti mase, temperatūra įtakos neturi.

Šaltiniai

1. Harris, D. C. (2015). Kiekybinė cheminė analizė (9-asis leidimas). W. H. Freeman.
2. Chang, R. ir Goldsby, K. A. (2015). Chemija (12-asis leidimas). McGraw-Hill Education.
3. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga. (1997). Cheminės terminologijos sąvadas (vadinamoji „Auksinė knyga“).
4. Nacionalinis standartų ir technologijos institutas. NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/