Калкулатор концентрације раствора – Моларност, Молалност и друго

Шта је калкулатор концентрације раствора?

Калкулатор концентрације раствора одређује количину растворене супстанце у раствору, изражену у изабраној јединици. Растворена супстанца је супстанца која се раствара, попут соли или шећера. Овај алат претвара масу растворене супстанце, њену молекулску масу, запремину раствора и густину раствора у пет уобичајених јединица концентрације: моларност, молалност, масени проценат, запремински проценат и делове на милион (ppm). За запремински проценат потребан је још један податак, густина саме растворене супстанце, па калкулатор тражи и њу када је изабрана та јединица.

Концентрација описује јачину смеше. Исти раствор може се описати на више начина, а свака јединица одговара другој намени. Хемичар који меша реакцију користи моларност. Физички хемичар који проучава температуре мржњења користи молалност. Лабораторија за заштиту животне средине која испитује воду користи ppm.

Објашњење јединица концентрације

• Моларност (M) — број молова растворене супстанце по литру раствора. Уобичајена је у општој хемији.
• Молалност (m) — број молова растворене супстанце по килограму растварача. Не мења се са температуром.
• Масени проценат (% w/w) — маса растворене супстанце подељена масом раствора, помножена са 100.
• Запремински проценат (% v/v) — запремина растворене супстанце подељена запремином раствора, помножена са 100. Користи се за течне смеше, као што су алкохолна пића.
• Делови на милион (ppm) — маса растворене супстанце на милион масених делова раствора. Користи се за веома мале количине у траговима.

Мол је фиксни број честица (око 6,022 × 10²³), који се користи за бројање атома или молекула њиховим мерењем по маси.

Како се израчунава моларност

Моларност је број молова растворене супстанце подељен запремином раствора у литрима:

$M = \frac{\text{молови растворене супстанце}}{\text{запремина раствора (L)}}$

Пошто је број молова једнак маси подељеној молекулском масом, формула постаје:

$M = \frac{\text{маса растворене супстанце (g)}}{\text{молекулска маса (g/mol)} \times \text{запремина раствора (L)}}$

Пример. Растворити 5,85 g натријум-хлорида (NaCl, молекулска маса 58,44 g/mol) у довољно воде да се добије 0,1 L раствора:

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

Коначна запремина мора се измерити након што се растворена супстанца потпуно раствори, а не пре тога. Додавање чврсте супстанце у фиксну запремину воде незнатно повећава укупну запремину.

Како се израчунава молалност

Молалност се добија дељењем броја молова растворене супстанце масом растварача, израженом у килограмима, уместо запремином раствора:

$m = \frac{\text{маса растворене супстанце (g)}}{\text{молекулска маса (g/mol)} \times \text{маса растварача (kg)}}$

Пример. Растворити 5,85 g NaCl у тачно 100 g (0,1 kg) воде:

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

Пошто се маса не мења са температуром, молалност остаје константна када се раствор загрева или хлади. Моларност се не понаша тако, јер се запремина повећава са загревањем. Зато се молалност користи за проучавање снижења тачке мржњења и повишења тачке кључања.

Како се израчунава масени проценат

Масени проценат је маса растворене супстанце подељена укупном масом раствора и помножена са 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{маса растворене супстанце}}{\text{маса раствора}} \times 100$

Пример. Растворити 10 g шећера у 90 g воде, тако да укупна маса раствора буде 100 g:

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

Водоник-пероксид који се продаје за употребу у домаћинству обично је означен са „3%“, што значи 3 g водоник-пероксида на 100 g раствора.

Како се израчунава запремински проценат

Запремински проценат се добија дељењем запремине растворене супстанце укупном запремином раствора:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{запремина растворене супстанце}}{\text{запремина раствора}} \times 100$

Пример. Помешати етанол са водом тако да се добије 100 mL раствора, користећи 15 mL етанола:

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

Калкулатору се запремина растворене супстанце не задаје директно. Он је израчунава на основу масе растворене супстанце и њене густине, због чега у овом режиму тражи њену густину:

$\text{запремина растворене супстанце (L)} = \frac{\text{маса растворене супстанце (g)}}{\text{густина растворене супстанце (g/mL)} \times 1000}$

Уношењем 10 g етанола, чија је густина 0,789 g/mL, добија се 12,67 mL етанола. У 1 L раствора то износи 1,27% v/v. Густина растворене супстанце није иста као густина раствора, а коришћење густине раствора овде би дало погрешан резултат за сваку растворену супстанцу која је гушћа или ређа од смеше.

Ово је јединица која се користи за садржај алкохола у пићима. Вино обично има 12–14% v/v; дестилована алкохолна пића имају 40% v/v или више. Запремине течности се при мешању не сабирају увек тачно, па се прецизан раствор мери до коначне запремине, уместо да се она претпостави на основу збира његових састојака.

Како се израчунавају делови на милион (ppm)

Делови на милион користе се за веома разблажене растворе. Маса растворене супстанце дели се масом раствора и множи са једним милионом:

$\text{ppm} = \frac{\text{маса растворене супстанце}}{\text{маса раствора}} \times 1{,}000{,}000$

Пример. Узорак воде масе 1.000 g садржи 0,002 g раствореног олова:

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

Код разблажених раствора на воденој основи, 1 ppm је приближно једнако 1 милиграму растворене супстанце по литру раствора.

Пример израчунавања: физиолошки раствор

Физиолошки раствор је 0,9% раствор соли који се користи у медицини јер одговара концентрацији соли у крвној плазми. Проверимо серију направљену од 9 g NaCl, раствореног до коначне запремине од 1 L, при густини раствора од 1,005 g/mL:

Најпре одредимо укупну масу раствора на основу његове запремине и густине:

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

• Масени проценат: 9 ÷ 1.005 × 100 = 0,90%
• Моларност: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Молалност: маса растварача је 1.005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Делови на милион: 9 ÷ 1.005 × 1.000.000 ≈ 8.955 ppm
• Запремински проценат: чврста со има густину 2,165 g/mL, па 9 g заузима 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42% v/v

Вредност ppm није тачно 9.000 јер је маса раствора 1.005 g, а не 1.000 g. Додатних 5 g потиче од тога што је густина раствора нешто већа од густине чисте воде.

Друге јединице концентрације

Неке области користе и јединице поред наведених пет. Нормалност (N) броји реактивне јединице уместо молова; раствор сумпорне киселине (H₂SO₄) концентрације 1 M има 2 N, јер сваки молекул може да отпусти два јона водоника. Молски удео представља број молова једне компоненте подељен укупним бројем молова свих компоненти смеше и користи се у прорачунима дестилације. За изузетно разблажене растворе хемичари прелазе са ppm на делове на милијарду (ppb) или делове на билион (ppt).

Уобичајени извори грешака

Израчуната концентрација може се разликовати од стварне из више разлога. Растварање чврсте супстанце мења укупну запремину раствора, па се коначна запремина мора измерити након мешања, а не претпоставити да је једнака почетној запремини растварача. Лабораторијске хемикалије ретко су чистоће 100%; реагенсу са ознаком „садржај: 98,5%“ маса се мора повећати ради надокнаде. Нека једињења садрже воду везану у својој кристалној структури, која се назива кристална вода; бакар-сулфат пентахидрат (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) има већу масу по молу од безводног бакар-сулфата (159,61 g/mol), а коришћење погрешне молекулске масе мења резултат. Промена температуре мења запремину раствора, што мења моларност, али не и молалност.

Најчешће постављана питања

Која је разлика између моларности и молалности? Моларност се добија дељењем запремином раствора, у литрима. Молалност се добија дељењем масом растварача, у килограмима. Запремина се мења са температуром, а маса не. Код разблажених раствора на воденој основи, на собној температури, ове две вредности су блиске.

Како да претворим ppm у проценат? Вредност ppm поделите са 10.000. На пример, 5.000 ppm једнако је 0,5%.

Да ли је 1 ppm увек једнако 1 mg/L? Само приближно, и то само код разблажених раствора чија је густина блиска вредности 1 g/mL, као код већине узорака воде. Код гушћих течности ове две вредности се разликују.

Зашто се моја измерена концентрација не поклапа са израчунатом? Уобичајени узроци су нечист реагенс, вода везана у кристалној структури растворене супстанце, запремина раствора измерена пре потпуног мешања или температура различита од оне при којој је раствор припремљен.

Коју највећу концентрацију растворена супстанца може да достигне? Граница је растворљивост растворене супстанце у датом растварачу на датој температури. Кухињска со се на собној температури раствара у количини до око 36 g на 100 mL воде; изнад те количине нерастворена чврста супстанца остаје на дну посуде.

Да ли температура утиче на концентрацију? Да, код јединица заснованих на запремини. Вода се шири при загревању, па се моларност раствора при загревању благо смањује, иако се количина растворене супстанце није променила. Масени проценат и молалност, који се заснивају на маси, нису под утицајем температуре.

Референце

1. Харис, D. C. (2015). Квантитативна хемијска анализа (9. издање). W. H. Freeman.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chemistry (12. издање). McGraw-Hill Education.
3. Међународна унија за чисту и примењену хемију. (1997). Зборник хемијске терминологије („Златна књига“).
4. Национални институт за стандарде и технологију. NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/