Løsningskonsentrasjonskalkulator – Molaritet, Molalitet og Mer

Hva er en kalkulator for løsningskonsentrasjon?

En kalkulator for løsningskonsentrasjon finner hvor mye løst stoff som er oppløst i en løsning, uttrykt i en valgt enhet. Et løst stoff er stoffet som oppløses, for eksempel salt eller sukker. Verktøyet omgjør massen til det løste stoffet, molekylmassen, løsningens volum og løsningens tetthet til fem vanlige konsentrasjonsenheter: molaritet, molalitet, masseprosent, volumprosent og deler per million (ppm). Volumprosent krever ett tall til, nemlig tettheten til selve det løste stoffet, så kalkulatoren ber om dette når denne enheten velges.

Konsentrasjon beskriver styrken til en blanding. Den samme løsningen kan beskrives på flere måter, og hver enhet passer til ulike formål. En kjemiker som blander en reaksjon, bruker molaritet. En fysisk kjemiker som studerer frysepunkter, bruker molalitet. Et miljølaboratorium som analyserer vann, bruker ppm.

Konsentrasjonsenheter forklart

• Molaritet (M) — mol løst stoff per liter løsning. Vanlig i generell kjemi.
• Molalitet (m) — mol løst stoff per kilogram løsemiddel. Endres ikke med temperaturen.
• Masseprosent (% m/m) — massen av det løste stoffet delt på massen av løsningen, multiplisert med 100.
• Volumprosent (% v/v) — volumet av det løste stoffet delt på volumet av løsningen, multiplisert med 100. Brukes for væskeblandinger som alkoholholdige drikker.
• Deler per million (ppm) — masse løst stoff per million massedeler løsning. Brukes for svært små mengder (spormengder).

Et mol er et fast antall partikler (omtrent 6,022 × 10²³), brukt til å telle atomer eller molekyler ved å veie dem.

Slik beregnes molaritet

Molaritet er antallet mol løst stoff delt på volumet av løsningen i liter:

$M = \frac{\text{mol løst stoff}}{\text{volum av løsning (L)}}$

Siden antallet mol er lik massen delt på molekylmassen, blir formelen:

$M = \frac{\text{masse av løst stoff (g)}}{\text{molekylmasse (g/mol)} \times \text{volum av løsning (L)}}$

Eksempel. Løs opp 5,85 g natriumklorid (NaCl, molekylmasse 58,44 g/mol) i tilstrekkelig vann til å lage 0,1 L løsning:

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

Det endelige volumet må måles etter at det løste stoffet er fullstendig oppløst, ikke før. Når et fast stoff tilsettes et fastsatt vannvolum, øker totalvolumet litt.

Slik beregnes molalitet

Molalitet deler antallet mol løst stoff på massen av løsemiddelet, i kilogram, i stedet for på volumet av løsningen:

$m = \frac{\text{masse av løst stoff (g)}}{\text{molekylmasse (g/mol)} \times \text{masse av løsemiddel (kg)}}$

Eksempel. Løs opp 5,85 g NaCl i nøyaktig 100 g (0,1 kg) vann:

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

Fordi massen ikke endres med temperaturen, holder molaliteten seg konstant når en løsning varmes opp eller avkjøles. Det gjør ikke molariteten, fordi volumet utvider seg ved oppvarming. Derfor brukes molalitet til å studere frysepunktsnedsettelse og kokepunktsøkning.

Slik beregnes masseprosent

Masseprosent er massen av det løste stoffet delt på den totale massen av løsningen, multiplisert med 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{masse av løst stoff}}{\text{masse av løsning}} \times 100$

Eksempel. Løs opp 10 g sukker i 90 g vann, slik at den totale massen av løsningen blir 100 g:

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

Hydrogenperoksid som selges til husholdningsbruk, er vanligvis merket «3 %», som betyr 3 g hydrogenperoksid per 100 g løsning.

Slik beregnes volumprosent

Volumprosent deler volumet av det løste stoffet på det totale volumet av løsningen:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{volum av løst stoff}}{\text{volum av løsning}} \times 100$

Eksempel. Bland etanol med vann for å lage 100 mL løsning, ved å bruke 15 mL etanol:

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

Kalkulatoren får ikke oppgitt volumet til det løste stoffet direkte. Den beregner volumet ut fra massen til det løste stoffet og dets egen tetthet, og derfor spør den etter denne tettheten i denne modusen:

$\text{volum av løst stoff (L)} = \frac{\text{masse av løst stoff (g)}}{\text{tetthet til løst stoff (g/mL)} \times 1000}$

Hvis man oppgir 10 g etanol med tetthet 0,789 g/mL, får man 12,67 mL etanol. I 1 L løsning tilsvarer dette 1,27 % v/v. Tettheten til det løste stoffet er ikke det samme tallet som løsningens tetthet, og hvis man bruker løsningens tetthet her, blir svaret feil for løste stoffer som er tettere eller mindre tette enn blandingen.

Dette er enheten som brukes for alkoholinnhold i drikkevarer. Vin har vanligvis 12–14% v/v, mens destillerte brenneviner har 40 % v/v eller mer. Væskevolumer summerer seg ikke alltid nøyaktig når de blandes, så en nøyaktig løsning må måles til et endelig volum i stedet for å beregnes ut fra summen av delene.

Slik beregnes deler per million (ppm)

Deler per million brukes for svært fortynnede løsninger. Massen av det løste stoffet deles på massen av løsningen og multipliseres med én million:

$\text{ppm} = \frac{\text{masse av løst stoff}}{\text{masse av løsning}} \times 1{,}000{,}000$

Eksempel. En vannprøve på 1 000 g inneholder 0,002 g oppløst bly:

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

For fortynnede vannbaserte løsninger er 1 ppm omtrent lik 1 milligram løst stoff per liter løsning.

fysiologisk saltvann

Fysiologisk saltvann er en 0,9 % saltløsning som brukes i medisinen fordi den har samme saltkonsentrasjon som blodplasma. For å kontrollere et parti laget av 9 g NaCl oppløst til et endelig volum på 1 L, med en løsningstetthet på 1,005 g/mL:

Først finner man den totale massen av løsningen ut fra volumet og tettheten:

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

• Masseprosent: 9 ÷ 1 005 × 100 = 0,90 %
• Molaritet: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Molalitet: massen av løsemiddelet er 1 005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Deler per million: 9 ÷ 1 005 × 1 000 000 ≈ 8 955 ppm
• Volumprosent: fast salt har en tetthet på 2,165 g/mL, så 9 g opptar 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42 % v/v

ppm-tallet er ikke nøyaktig 9 000 fordi massen av løsningen er 1 005 g, ikke 1 000 g. De ekstra 5 g skyldes at løsningens tetthet er litt høyere enn rent vanns.

Andre konsentrasjonsenheter

Noen fagområder bruker andre enheter enn de fem ovenfor. Normalitet (N) teller reaktive enheter i stedet for mol; en svovelsyreløsning (H₂SO₄) på 1 M er 2 N, fordi hvert molekyl kan avgi to hydrogenioner. Molfraksjon deler antallet mol av én komponent på det totale antallet mol av alle stoffene i blandingen, og brukes i beregninger ved destillasjon. For ekstremt fortynnede løsninger går kjemikere fra ppm til deler per milliard (ppb) eller deler per billion (ppt).

Vanlige feilkilder

En beregnet konsentrasjon kan avvike fra den faktiske av flere grunner. Oppløsning av et fast stoff endrer det totale volumet av en løsning, så det endelige volumet må måles etter blanding og ikke antas å være likt det opprinnelige volumet av løsemiddelet. Laboratoriekjemikalier er sjelden 100 % rene; et reagens merket «98,5 % assay» krever at massen økes for å kompensere. Noen forbindelser inneholder vann bundet i krystallstrukturen, kalt krystallvann; kobbersulfatpentahydrat (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) veier mer per mol enn vannfritt kobbersulfat (159,61 g/mol), og bruk av feil molekylmasse endrer resultatet. Temperaturendringer påvirker volumet av en løsning, noe som endrer molariteten, men ikke molaliteten.

Ofte stilte spørsmål

Hva er forskjellen mellom molaritet og molalitet? Molaritet deler på volumet av løsningen, i liter. Molalitet deler på massen av løsemiddelet, i kilogram. Volum endres med temperaturen, mens masse ikke gjør det. For fortynnede vannbaserte løsninger ved romtemperatur ligger de to verdiene nær hverandre.

Hvordan konverterer jeg ppm til prosent? Del ppm-verdien på 10 000. For eksempel er 5 000 ppm lik 0,5 %.

Er 1 ppm alltid lik 1 mg/L? Bare omtrent, og bare for fortynnede løsninger der løsningens tetthet ligger nær 1 g/mL, slik som de fleste vannprøver. For tettere væsker avviker de to verdiene.

Hvorfor samsvarer ikke den målte konsentrasjonen med beregningen min? Vanlige årsaker er et urent reagens, vann bundet i krystallstrukturen til det løste stoffet, et løsningsvolum som er målt før fullstendig blanding, eller en annen temperatur enn den som ble brukt ved tilberedningen av løsningen.

Hva er den høyeste konsentrasjonen et løst stoff kan nå? Grensen bestemmes av løseligheten til det løste stoffet i løsemiddelet ved den aktuelle temperaturen. Koksalt løses opp til omtrent 36 g per 100 mL vann ved romtemperatur; over denne grensen blir uoppløst fast stoff liggende på bunnen av beholderen.

Påvirker temperaturen konsentrasjonen? Ja, for enheter som er basert på volum. Vann utvider seg når det varmes opp, så løsningens molaritet synker litt ved oppvarming, selv om mengden løst stoff ikke er endret. Masseprosent og molalitet, som er basert på masse, påvirkes ikke.

Referanser

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