Šķīduma Koncentrācijas Kalkulators – Molaritāte, Molalitāte un Citi

Kas ir šķīduma koncentrācijas kalkulators?

Šķīduma koncentrācijas kalkulators nosaka, cik daudz šķīdināmās vielas ir izšķīdis šķīdumā, izsakot to izvēlētā mērvienībā. Šķīdināmā viela ir viela, kas tiek izšķīdināta, piemēram, sāls vai cukurs. Šis rīks pārvērš šķīdināmās vielas masu, tās molekulmasu, šķīduma tilpumu un šķīduma blīvumu piecās izplatītās koncentrācijas vienībās: molaritātē, molalitātē, masas procentos, tilpuma procentos un daļās uz miljonu (ppm). Tilpuma procentiem nepieciešams vēl viens lielums — pašas šķīdināmās vielas blīvums, tāpēc kalkulators to pieprasa, ja ir izvēlēta šī vienība.

Koncentrācija raksturo maisījuma stiprumu. To pašu šķīdumu var aprakstīt vairākos veidos, un katra mērvienība ir piemērota citam mērķim. Ķīmiķis, kas veido reakcijas maisījumu, izmanto molaritāti. Fizikālais ķīmiķis, kas pēta sasalšanas temperatūru, izmanto molalitāti. Vides laboratorija, kas pārbauda ūdeni, izmanto ppm.

Koncentrācijas mērvienību skaidrojums

• Molaritāte (M) — šķīdināmās vielas molu skaits uz šķīduma litru. Bieži izmantota vispārīgajā ķīmijā.
• Molalitāte (m) — šķīdināmās vielas molu skaits uz šķīdinātāja kilogramu. Temperatūra to nemaina.
• Masas procenti (% w/w) — šķīdināmās vielas masa dalīta ar šķīduma masu un reizināta ar 100.
• Tilpuma procenti (% v/v) — šķīdināmās vielas tilpums dalīts ar šķīduma tilpumu un reizināts ar 100. Izmanto šķidriem maisījumiem, piemēram, alkoholiskajiem dzērieniem.
• Daļas uz miljonu (ppm) — šķīdināmās vielas masa uz miljonu šķīduma masas daļu. Izmanto ļoti maziem jeb mikropiemaisījumu daudzumiem.

Mols ir fiksēts daļiņu skaits (aptuveni 6,022 × 10²³), ko izmanto atomu vai molekulu skaitīšanai, tos nosverot.

Kā aprēķināt molaritāti

Molaritāte ir šķīdināmās vielas molu skaits, dalīts ar šķīduma tilpumu litros:

$M = \frac{\text{šķīdināmās vielas molu skaits}}{\text{šķīduma tilpums (L)}}$

Tā kā molu skaits ir vienāds ar masu, kas dalīta ar molekulmasu, formula kļūst šāda:

$M = \frac{\text{šķīdināmās vielas masa (g)}}{\text{molekulmasa (g/mol)} \times \text{šķīduma tilpums (L)}}$

Piemērs. Izšķīdina 5,85 g nātrija hlorīda (NaCl, molekulmasa 58,44 g/mol) tādā ūdens daudzumā, lai iegūtu 0,1 L šķīduma:

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

Galīgais tilpums jāizmēra pēc tam, kad šķīdināmā viela ir pilnībā izšķīdusi, nevis pirms tam. Cietas vielas pievienošana noteiktam ūdens tilpumam nedaudz palielina kopējo tilpumu.

Kā aprēķināt molalitāti

Molalitātē šķīdināmās vielas molu skaitu dala ar šķīdinātāja masu kilogramos, nevis ar šķīduma tilpumu:

$m = \frac{\text{šķīdināmās vielas masa (g)}}{\text{molekulmasa (g/mol)} \times \text{šķīdinātāja masa (kg)}}$

Piemērs. Izšķīdina 5,85 g NaCl precīzi 100 g (0,1 kg) ūdens:

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

Tā kā masa temperatūras ietekmē nemainās, molalitāte paliek konstanta, šķīdumu sasildot vai atdzesējot. Molaritāte nemainās, jo siltuma ietekmē tilpums izplešas. Tāpēc molalitāti izmanto sasalšanas temperatūras pazemināšanās un viršanas temperatūras paaugstināšanās pētīšanai.

Kā aprēķināt masas procentus

Masas procentus iegūst, šķīdināmās vielas masu dalot ar šķīduma kopējo masu un reizinot ar 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{šķīdināmās vielas masa}}{\text{šķīduma masa}} \times 100$

Piemērs. Izšķīdina 10 g cukura 90 g ūdens, iegūstot šķīdumu ar kopējo masu 100 g:

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

Sadzīvē lietojamo ūdeņraža peroksīdu parasti marķē ar norādi “3%”, kas nozīmē 3 g ūdeņraža peroksīda uz 100 g šķīduma.

Kā aprēķināt tilpuma procentus

Tilpuma procentus iegūst, šķīdināmās vielas tilpumu dalot ar šķīduma kopējo tilpumu:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{šķīdināmās vielas tilpums}}{\text{šķīduma tilpums}} \times 100$

Piemērs. Sajauc etanolu ar ūdeni, lai iegūtu 100 mL šķīduma, izmantojot 15 mL etanola:

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

Kalkulatoram šķīdināmās vielas tilpums netiek ievadīts tieši. Tas aprēķina tilpumu pēc šķīdināmās vielas masas un tās blīvuma, tāpēc šajā režīmā pieprasa ievadīt šo blīvumu:

$\text{šķīdināmās vielas tilpums (L)} = \frac{\text{šķīdināmās vielas masa (g)}}{\text{šķīdināmās vielas blīvums (g/mL)} \times 1000}$

Ievadot 10 g etanola, kura blīvums ir 0,789 g/mL, iegūst 12,67 mL etanola. 1 L šķīduma tas ir 1,27% v/v. Šķīdināmās vielas blīvums nav tāds pats kā šķīduma blīvums, un šķīduma blīvuma izmantošana šeit dotu nepareizu rezultātu jebkurai šķīdināmai vielai, kas ir blīvāka vai mazāk blīva par maisījumu.

Šo vienību izmanto alkohola satura norādīšanai dzērienos. Vīnā parasti ir 12–14% v/v, bet destilētajos alkoholiskajos dzērienos — 40% v/v vai vairāk. Šķidrumu tilpumi sajaucot ne vienmēr precīzi saskaitās, tāpēc precīzu šķīduma tilpumu nosaka, to izmērot, nevis pieņemot, ka tas ir sastāvdaļu tilpumu summa.

Kā aprēķināt daļas uz miljonu (ppm)

Daļas uz miljonu izmanto ļoti atšķaidītiem šķīdumiem. Šķīdināmās vielas masu dala ar šķīduma masu un reizina ar vienu miljonu:

$\text{ppm} = \frac{\text{šķīdināmās vielas masa}}{\text{šķīduma masa}} \times 1{,}000{,}000$

Piemērs. Ūdens paraugs, kura masa ir 1 000 g, satur 0,002 g izšķīduša svina:

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

Atšķaidītos šķīdumos uz ūdens bāzes 1 ppm ir aptuveni vienāds ar 1 miligramu šķīdināmās vielas uz šķīduma litru.

Aprēķina piemērs: fizioloģiskais šķīdums

Fizioloģiskais šķīdums ir 0,9% sāls šķīdums, ko izmanto medicīnā, jo tā sāls koncentrācija atbilst asins plazmas koncentrācijai. Pārbaudīsim šķīdumu, kas pagatavots no 9 g NaCl, izšķīdinot to līdz galīgajam tilpumam 1 L, ja šķīduma blīvums ir 1,005 g/mL:

Vispirms pēc tilpuma un blīvuma nosaka šķīduma kopējo masu:

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

• Masas procenti: 9 ÷ 1 005 × 100 = 0,90%
• Molaritāte: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Molalitāte: šķīdinātāja masa ir 1 005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Daļas uz miljonu: 9 ÷ 1 005 × 1 000 000 ≈ 8 955 ppm
• Tilpuma procenti: cietā sāls blīvums ir 2,165 g/mL, tāpēc 9 g aizņem 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42% v/v

ppm vērtība nav tieši 9 000, jo šķīduma masa ir 1 005 g, nevis 1 000 g. Papildu 5 g rodas tāpēc, ka šķīduma blīvums ir nedaudz lielāks nekā tīram ūdenim.

Citas koncentrācijas mērvienības

Dažās nozarēs izmanto arī citas, ne tikai iepriekš minētās piecas mērvienības. Normalitāte (N) skaita reaģējošās vienības, nevis molus; sērskābes (H₂SO₄) šķīdums ar koncentrāciju 1 M ir 2 N, jo katra molekula var atdot divus ūdeņraža jonus. Molu daļa ir viena komponenta molu skaits dalīts ar visu maisījuma sastāvdaļu kopējo molu skaitu, un to izmanto destilācijas aprēķinos. Ļoti atšķaidītiem šķīdumiem ķīmiķi ppm vietā izmanto daļas uz miljardu (ppb) vai daļas uz triljonu (ppt).

Biežākie kļūdu avoti

Aprēķinātā koncentrācija vairāku iemeslu dēļ var atšķirties no faktiskās. Cietas vielas izšķīdināšana maina šķīduma kopējo tilpumu, tāpēc galīgais tilpums jāizmēra pēc sajaukšanas, nevis jāpieņem, ka tas ir vienāds ar sākotnējo šķīdinātāja tilpumu. Laboratorijas ķimikālijas reti ir 100% tīras; reaģentam, kura marķējumā norādīta “98,5% tīrība”, masa jāpalielina, lai to kompensētu. Daži savienojumi satur kristālstruktūrā saistītu ūdeni, ko sauc par kristalizācijas ūdeni; vara sulfāta pentahidrāts (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) uz molu sver vairāk nekā bezūdens vara sulfāts (159,61 g/mol), un nepareizas molekulmasas izmantošana maina rezultātu. Temperatūras izmaiņas maina šķīduma tilpumu, tādējādi mainot molaritāti, bet ne molalitāti.

Biežāk uzdotie jautājumi

Kāda ir atšķirība starp molaritāti un molalitāti? Molaritātē dala ar šķīduma tilpumu litros. Molalitātē dala ar šķīdinātāja masu kilogramos. Tilpums mainās atkarībā no temperatūras, bet masa nemainās. Atšķaidītiem šķīdumiem uz ūdens bāzes istabas temperatūrā abas vērtības ir tuvas.

Kā pārvērst ppm procentos? Daliet ppm vērtību ar 10 000. Piemēram, 5 000 ppm ir vienāds ar 0,5%.

Vai 1 ppm vienmēr ir vienāds ar 1 mg/L? Tikai aptuveni un tikai atšķaidītiem šķīdumiem, kuru blīvums ir tuvs 1 g/mL, piemēram, lielākajai daļai ūdens paraugu. Blīvākiem šķidrumiem šīs abas vērtības atšķiras.

Kāpēc izmērītā koncentrācija neatbilst manam aprēķinam? Biežākie iemesli ir ne tīrs reaģents, šķīdināmās vielas kristālstruktūrā saistīts ūdens, šķīduma tilpums, kas izmērīts pirms pilnīgas sajaukšanās, vai temperatūra, kas atšķiras no šķīduma pagatavošanas temperatūras.

Kādu maksimālo koncentrāciju var sasniegt šķīdināmā viela? Robežu nosaka šķīdināmās vielas šķīdība attiecīgajā šķīdinātājā konkrētajā temperatūrā. Istabas temperatūrā galda sāls ūdenī izšķīst līdz aptuveni 36 g uz 100 mL ūdens; pārsniedzot šo daudzumu, trauka apakšā paliek neizšķīdusi cieta viela.

Vai temperatūra ietekmē koncentrāciju? Jā, mērvienībām, kuru pamatā ir tilpums. Ūdens, sasilstot, izplešas, tāpēc šķīduma molaritāte karsējot nedaudz samazinās, lai gan šķīdināmās vielas daudzums nav mainījies. Masas procentus un molalitāti, kuru pamatā ir masa, temperatūra neietekmē.

Literatūras saraksts

1. Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (9. izdevums). W. H. Freeman.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12. izdevums). 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/