Lösningskoncentrationsberäknare – Molaritet, Molalitet & Mer

Vad är en kalkylator för lösningskoncentration?

En kalkylator för lösningskoncentration beräknar hur mycket löst ämne som finns upplöst i en lösning, uttryckt i en vald enhet. Ett löst ämne är det ämne som löses upp, till exempel salt eller socker. Verktyget omvandlar det lösta ämnets massa, molmassa, lösningens volym och lösningens densitet till fem vanliga koncentrationsenheter: molaritet, molalitet, massprocent, volymprocent och miljondelar (ppm). Volymprocent kräver ytterligare ett värde, det lösta ämnets egen densitet, så kalkylatorn efterfrågar den när den enheten väljs.

Koncentration beskriver hur stark en blandning är. Samma lösning kan beskrivas på flera sätt, och varje enhet passar ett annat ändamål. En kemist som blandar en reaktion använder molaritet. En fysikalisk kemist som studerar fryspunkter använder molalitet. Ett miljölaboratorium som analyserar vatten använder ppm.

Koncentrationsenheter förklarade

• Molaritet (M) — mol löst ämne per liter lösning. Vanlig inom allmän kemi.
• Molalitet (m) — mol löst ämne per kilogram lösningsmedel. Förändras inte med temperaturen.
• Massprocent (% w/w) — det lösta ämnets massa dividerad med lösningens massa, multiplicerad med 100.
• Volymprocent (% v/v) — det lösta ämnets volym dividerad med lösningens volym, multiplicerad med 100. Används för flytande blandningar som alkoholhaltiga drycker.
• Miljondelar (ppm) — det lösta ämnets massa per en miljon massdelar lösning. Används för mycket små mängder (spårmängder).

En mol är ett fast antal partiklar (cirka 6,022 × 10²³), som används för att räkna atomer eller molekyler genom att väga dem.

Så beräknas molaritet

Molaritet är antalet mol löst ämne dividerat med lösningens volym i liter:

$M = \frac{\text{mol löst ämne}}{\text{lösningens volym (L)}}$

Eftersom antalet mol är lika med massan dividerad med molmassan blir formeln:

$M = \frac{\text{det lösta ämnets massa (g)}}{\text{molmassa (g/mol)} \times \text{lösningens volym (L)}}$

Exempel. Lös upp 5,85 g natriumklorid (NaCl, molmassa 58,44 g/mol) i tillräckligt mycket vatten för att få 0,1 L lösning:

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

Slutvolymen måste mätas efter att det lösta ämnet har lösts upp helt, inte före. När ett fast ämne tillsätts till en bestämd vattenvolym ökar den totala volymen något.

Så beräknas molalitet

Molalitet dividerar antalet mol löst ämne med lösningsmedlets massa, i kilogram, i stället för med lösningens volym:

$m = \frac{\text{det lösta ämnets massa (g)}}{\text{molmassa (g/mol)} \times \text{lösningsmedlets massa (kg)}}$

Exempel. Lös upp 5,85 g NaCl i exakt 100 g (0,1 kg) vatten:

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

Eftersom massan inte förändras med temperaturen förblir molaliteten konstant när en lösning värms eller kyls. Det gör inte molariteten, eftersom volymen ökar vid uppvärmning. Därför används molalitet vid studier av fryspunktssänkning och kokpunktshöjning.

Så beräknas massprocent

Massprocent är det lösta ämnets massa dividerad med lösningens totala massa, multiplicerad med 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{det lösta ämnets massa}}{\text{lösningens massa}} \times 100$

Exempel. Lös upp 10 g socker i 90 g vatten, vilket ger en total lösningsmassa på 100 g:

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

Väteperoxid som säljs för hushållsbruk är vanligtvis märkt "3 %", vilket betyder 3 g väteperoxid per 100 g lösning.

Så beräknas volymprocent

Volymprocent är det lösta ämnets volym dividerad med lösningens totala volym:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{det lösta ämnets volym}}{\text{lösningens volym}} \times 100$

Exempel. Blanda etanol med vatten så att 100 mL lösning erhålls, med 15 mL etanol:

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

Kalkylatorn får inte det lösta ämnets volym direkt. Den räknar fram volymen utifrån det lösta ämnets massa och dess egen densitet, vilket är anledningen till att den efterfrågar densiteten i detta läge:

$\text{det lösta ämnets volym (L)} = \frac{\text{det lösta ämnets massa (g)}}{\text{det lösta ämnets densitet (g/mL)} \times 1000}$

Om man anger 10 g etanol, vars densitet är 0,789 g/mL, blir etanolvolymen 12,67 mL. I 1 L lösning motsvarar det 1,27 % v/v. Det lösta ämnets densitet är inte samma värde som lösningens densitet, och om lösningens densitet används här blir svaret fel för alla lösta ämnen som är tätare eller mindre täta än blandningen.

Detta är den enhet som används för att ange alkoholhalten i drycker. Vin innehåller vanligtvis 12–14% v/v; destillerade spritdrycker innehåller 40 % v/v eller mer. Vätskevolymer adderas inte alltid exakt när de blandas, så en exakt lösning mäts upp till en slutlig volym i stället för att volymen antas vara summan av delarna.

Så beräknas miljondelar (ppm)

Miljondelar används för mycket utspädda lösningar. Det lösta ämnets massa divideras med lösningens massa och multipliceras med en miljon:

$\text{ppm} = \frac{\text{det lösta ämnets massa}}{\text{lösningens massa}} \times 1{,}000{,}000$

Exempel. Ett vattenprov på 1 000 g innehåller 0,002 g upplöst bly:

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

För utspädda vattenbaserade lösningar motsvarar 1 ppm ungefär 1 milligram löst ämne per liter lösning.

Räkneexempel: fysiologisk koksaltlösning

Fysiologisk koksaltlösning är en 0,9 % saltlösning som används inom medicinen eftersom dess saltkoncentration motsvarar blodplasmas. För att kontrollera en sats som framställts av 9 g NaCl upplöst till en slutvolym på 1 L, med en lösningsdensitet på 1,005 g/mL:

Först beräknas lösningens totala massa utifrån dess volym och densitet:

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

• Massprocent: 9 ÷ 1 005 × 100 = 0,90 %
• Molaritet: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Molalitet: lösningsmedlets massa är 1 005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Miljondelar: 9 ÷ 1 005 × 1 000 000 ≈ 8 955 ppm
• Volymprocent: fast salt har densiteten 2,165 g/mL, så 9 g upptar 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42 % v/v

ppm-värdet är inte exakt 9 000 eftersom lösningens massa är 1 005 g, inte 1 000 g. De extra 5 g beror på att lösningens densitet är något högre än rent vattens.

Andra koncentrationsenheter

Vissa områden använder andra enheter än de fem ovan. Normalitet (N) räknar reaktiva enheter i stället för mol; en svavelsyralösning (H₂SO₄) som är 1 M är 2 N, eftersom varje molekyl kan avge två vätejoner. Molfraktion dividerar antalet mol av en komponent med det totala antalet mol av alla ämnen i blandningen och används vid beräkningar av destillation. För extremt utspädda lösningar byter kemister från ppm till miljarddelar (ppb) eller biljondelar (ppt).

Vanliga felkällor

En beräknad koncentration kan skilja sig från den verkliga av flera orsaker. När ett fast ämne löses upp förändras lösningens totala volym, så slutvolymen måste mätas efter blandningen och inte antas vara lika med den ursprungliga lösningsmedelsvolymen. Laboratoriekemikalier är sällan 100 % rena; ett reagens märkt "98,5 % renhet" kräver att massan ökas för att kompensera. Vissa föreningar innehåller vatten som är bundet i kristallstrukturen, så kallat kristallvatten; kopparsulfatpentahydrat (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) väger mer per mol än vattenfritt kopparsulfat (159,61 g/mol), och om fel molmassa används förändras resultatet. Temperaturen förändrar lösningens volym, vilket ändrar molariteten men inte molaliteten.

Vanliga frågor

Vad är skillnaden mellan molaritet och molalitet? Molaritet dividerar med lösningens volym i liter. Molalitet dividerar med lösningsmedlets massa i kilogram. Volymen förändras med temperaturen, massan gör det inte. För utspädda vattenbaserade lösningar vid rumstemperatur ligger de två värdena nära varandra.

Hur omvandlar jag ppm till procent? Dividera ppm-värdet med 10 000. Till exempel är 5 000 ppm lika med 0,5 %.

Är 1 ppm alltid lika med 1 mg/L? Bara ungefär, och endast för utspädda lösningar där lösningens densitet ligger nära 1 g/mL, till exempel de flesta vattenprover. För tätare vätskor skiljer sig värdena åt.

Varför stämmer inte min uppmätta koncentration med min beräkning? Vanliga orsaker är ett orent reagens, vatten som är bundet i det lösta ämnets kristallstruktur, en lösningsvolym som mättes före fullständig blandning eller en annan temperatur än den som användes när lösningen bereddes.

Vilken är den högsta koncentration ett löst ämne kan nå? Gränsen bestäms av det lösta ämnets löslighet i lösningsmedlet vid den temperaturen. Koksalt löser sig upp till ungefär 36 g per 100 mL vatten vid rumstemperatur; över denna mängd blir fast ämne kvar på behållarens botten.

Påverkar temperaturen koncentrationen? Ja, för enheter som bygger på volym. Vatten expanderar när det värms upp, så en lösnings molaritet minskar något vid uppvärmning även om mängden löst ämne inte har förändrats. Massprocent och molalitet, som bygger på massa, påverkas inte.

Referenser

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