Kalkulator Koncentracije Raztopine – Molarnost, Molalnost in Več

Kaj je kalkulator koncentracije raztopine?

Kalkulator koncentracije raztopine določi, koliko topljenca je raztopljenega v raztopini, izraženo v izbrani enoti. Topljenec je snov, ki se raztaplja, na primer sol ali sladkor. Orodje pretvori maso topljenca, njegovo molsko maso, prostornino raztopine in gostoto raztopine v pet običajnih enot koncentracije: molarnost, molalnost, masni odstotek, prostorninski odstotek in deli na milijon (ppm). Pri prostorninskem odstotku je potreben še en podatek, lastna gostota topljenca, zato jo kalkulator zahteva, ko je izbrana ta enota.

Koncentracija opisuje jakost zmesi. Isto raztopino je mogoče opisati na več načinov, pri čemer je vsaka enota primerna za drug namen. Kemik, ki pripravlja reakcijsko zmes, uporablja molarnost. Fizikalni kemik, ki preučuje zmrzišča, uporablja molalnost. Okoljski laboratorij, ki analizira vodo, uporablja ppm.

Pojasnjene enote koncentracije

• Molarnost (M) — množina topljenca na liter raztopine. Pogosta je v splošni kemiji.
• Molalnost (m) — množina topljenca na kilogram topila. S temperaturo se ne spreminja.
• Masni delež v odstotkih (% m/m) — masa topljenca, deljena z maso raztopine, pomnožena z 100.
• Prostorninski delež v odstotkih (% V/V) — prostornina topljenca, deljena s prostornino raztopine, pomnožena z 100. Uporablja se za tekoče zmesi, kot so alkoholne pijače.
• Število delcev na milijon (ppm) — masa topljenca na milijon masnih delov raztopine. Uporablja se za zelo majhne količine v sledovih.

Mol je določeno število delcev (približno 6,022 × 10²³), ki se uporablja za štetje atomov ali molekul tako, da jih stehtamo.

Kako izračunati molarnost

Molarnost je množina topljenca, deljena s prostornino raztopine v litrih:

$M = \frac{\text{množina topljenca}}{\text{prostornina raztopine (L)}}$

Ker je množina enaka masi, deljeni z molsko maso, je formula:

$M = \frac{\text{masa topljenca (g)}}{\text{relativna molekulska masa (g/mol)} \times \text{prostornina raztopine (L)}}$

Primer. Raztopimo 5,85 g natrijevega klorida (NaCl, relativna molekulska masa 58,44 g/mol) v zadostni količini vode, da dobimo 0,1 L raztopine:

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

Končno prostornino je treba izmeriti, ko je topljenec popolnoma raztopljen, ne prej. Dodajanje trdne snovi določeni prostornini vode nekoliko poveča skupno prostornino.

Kako izračunati molalnost

Molalnost deli množino topljenca z maso topila v kilogramih namesto s prostornino raztopine:

$m = \frac{\text{masa topljenca (g)}}{\text{relativna molekulska masa (g/mol)} \times \text{masa topila (kg)}}$

Primer. Raztopimo 5,85 g NaCl v natanko 100 g (0,1 kg) vode:

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

Ker se masa s temperaturo ne spreminja, molalnost ostane konstantna, ko raztopino segrevamo ali ohlajamo. Molarnost pa se spreminja, ker se prostornina s segrevanjem poveča. Zato se molalnost uporablja pri preučevanju znižanja zmrzišča in zvišanja vrelišča.

Kako izračunati masni delež v odstotkih

Masni delež v odstotkih je masa topljenca, deljena s skupno maso raztopine in pomnožena z 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{masa topljenca}}{\text{masa raztopine}} \times 100$

Primer. Raztopimo 10 g sladkorja v 90 g vode, tako da je skupna masa raztopine 100 g:

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

Vodikov peroksid, namenjen uporabi v gospodinjstvu, je običajno označen z »3 %«, kar pomeni 3 g vodikovega peroksida na 100 g raztopine.

Kako izračunati prostorninski delež v odstotkih

Prostorninski delež v odstotkih je prostornina topljenca, deljena s skupno prostornino raztopine:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{prostornina topljenca}}{\text{prostornina raztopine}} \times 100$

Primer. Zmešamo etanol z vodo, da dobimo 100 mL raztopine, pri čemer uporabimo 15 mL etanola:

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

Kalkulatorju prostornina topljenca ni podana neposredno. Izračuna jo iz mase topljenca in njegove lastne gostote, zato v tem načinu zahteva podatek o gostoti:

$\text{prostornina topljenca (L)} = \frac{\text{masa topljenca (g)}}{\text{gostota topljenca (g/mL)} \times 1000}$

Če vnesemo 10 g etanola z gostoto 0,789 g/mL, dobimo 12,67 mL etanola. V 1 L raztopine je to 1,27 % V/V. Gostota topljenca ni enaka gostoti raztopine; če bi tukaj uporabili gostoto raztopine, bi dobili napačen rezultat za vsak topljenec, ki je gostejši ali manj gost od zmesi.

To je enota, ki se uporablja za vsebnost alkohola v pijačah. Vino ima običajno 12–14% V/V, destilirane žgane pijače pa 40 % V/V ali več. Prostornine tekočin se pri mešanju ne seštevajo vedno popolnoma natančno, zato se natančna prostornina raztopine določi z merjenjem končne prostornine, ne pa s predvidevanjem na podlagi vsote posameznih prostornin.

Kako izračunati število delcev na milijon (ppm)

Število delcev na milijon se uporablja za zelo razredčene raztopine. Maso topljenca deli z maso raztopine in pomnoži z enim milijonom:

$\text{ppm} = \frac{\text{masa topljenca}}{\text{masa raztopine}} \times 1{,}000{,}000$

Primer. Vzorec vode z maso 1.000 g vsebuje 0,002 g raztopljenega svinca:

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

Pri razredčenih raztopinah na vodni osnovi je 1 ppm približno enako 1 miligramu topljenca na liter raztopine.

Računski primer: fiziološka raztopina

Fiziološka raztopina je 0,9 %-na raztopina soli, ki se uporablja v medicini, ker se ujema s koncentracijo soli v krvni plazmi. Preverimo serijo, pripravljeno iz 9 g NaCl, raztopljenega do končne prostornine 1 L, pri gostoti raztopine 1,005 g/mL:

Najprej iz prostornine in gostote izračunamo skupno maso raztopine:

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

• Masni delež v odstotkih: 9 ÷ 1.005 × 100 = 0,90 %
• Molarnost: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Molalnost: masa topila je 1.005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Število delcev na milijon: 9 ÷ 1.005 × 1.000.000 ≈ 8.955 ppm
• Prostorninski delež v odstotkih: trdna sol ima gostoto 2,165 g/mL, zato 9 g zavzema 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42 % V/V

Vrednost ppm ni natančno 9.000, ker je masa raztopine 1.005 g, ne 1.000 g. Dodatnih 5 g je posledica nekoliko večje gostote raztopine v primerjavi s čisto vodo.

Druge enote koncentracije

Nekatera področja uporabljajo tudi druge enote. Normalnost (N) šteje reaktivne enote namesto molov; raztopina žveplove kisline (H₂SO₄) s koncentracijo 1 M ima normalnost 2 N, ker lahko vsaka molekula odda dva vodikova iona. Molski delež deli množino ene sestavine s skupno množino vseh sestavin v zmesi in se uporablja pri izračunih destilacije. Pri izjemno razredčenih raztopinah kemiki preidejo s ppm na število delcev na milijardo (ppb) ali število delcev na bilijon (ppt).

Pogosti viri napak

Izračunana koncentracija se lahko iz več razlogov razlikuje od dejanske. Raztapljanje trdne snovi spremeni skupno prostornino raztopine, zato je treba končno prostornino izmeriti po mešanju in ne predpostaviti, da je enaka začetni prostornini topila. Laboratorijske kemikalije so redko čiste 100 %; pri reagentu z oznako »98,5 % assay« je treba povečati njegovo maso, da se to upošteva. Nekatere spojine vsebujejo v kristalni strukturi vezano vodo, imenovano kristalna voda; bakrov sulfat pentahidrat (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) ima na mol večjo maso kot brezvodni bakrov sulfat (159,61 g/mol), zato uporaba napačne molske mase spremeni rezultat. Temperatura spreminja prostornino raztopine, kar spremeni molarnost, ne pa molalnosti.

Pogosta vprašanja

Kakšna je razlika med molarnostjo in molalnostjo? Molarnost deli množino s prostornino raztopine v litrih. Molalnost deli množino z maso topila v kilogramih. Prostornina se s temperaturo spreminja, masa pa ne. Pri razredčenih raztopinah na vodni osnovi pri sobni temperaturi sta vrednosti blizu.

Kako pretvorim ppm v odstotke? Vrednost ppm delite z 10.000. Na primer, 5.000 ppm je enako 0,5 %.

Ali je 1 ppm vedno enako 1 mg/L? Le približno in samo pri razredčenih raztopinah, pri katerih je gostota raztopine blizu 1 g/mL, kot pri večini vzorcev vode. Pri gostejših tekočinah se vrednosti razlikujeta.

Zakaj se moja izmerjena koncentracija ne ujema z izračunom? Pogosti vzroki so nečist reagent, voda, vezana v kristalni strukturi topljenca, prostornina raztopine, izmerjena pred popolnim mešanjem, ali temperatura, drugačna od temperature, pri kateri je bila raztopina pripravljena.

Kakšno največjo koncentracijo lahko doseže topljenec? Mejo določa topnost topljenca v tem topilu pri dani temperaturi. Kuhinjska sol se pri sobni temperaturi v vodi raztopi do približno 36 g na 100 mL vode; pri večji količini neraztopljena trdna snov ostane na dnu posode.

Ali temperatura vpliva na koncentracijo? Da, pri enotah, ki temeljijo na prostornini. Voda se pri segrevanju razteza, zato se molarnost raztopine pri segrevanju nekoliko zmanjša, čeprav se količina topljenca ne spremeni. Masni delež v odstotkih in molalnost, ki temeljita na masi, nista prizadeta.

Viri

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