เครื่องคำนวณความเข้มข้นสารละลาย – โมลาริตี้ โมลาลิตี้ และอื่นๆ

เครื่องคำนวณความเข้มข้นของสารละลายคืออะไร?

เครื่องคำนวณความเข้มข้นของสารละลายจะหาปริมาณตัวละลายที่ละลายอยู่ในสารละลาย โดยแสดงเป็นหน่วยที่เลือก ตัวละลายคือสารที่ถูกละลาย เช่น เกลือหรือน้ำตาล เครื่องมือนี้แปลงมวลของตัวละลาย มวลโมเลกุล ปริมาตรของสารละลาย และความหนาแน่นของสารละลาย ให้เป็นหน่วยความเข้มข้นที่ใช้กันทั่วไปห้าหน่วย ได้แก่ โมลาริตี โมแลลิตี ร้อยละโดยมวล ร้อยละโดยปริมาตร และส่วนในล้านส่วน (ppm) ร้อยละโดยปริมาตรต้องใช้ข้อมูลเพิ่มอีกหนึ่งค่า คือความหนาแน่นของตัวละลายเอง ดังนั้นเครื่องคำนวณจะขอข้อมูลนี้เมื่อเลือกหน่วยดังกล่าว

ความเข้มข้นใช้อธิบายความเข้มของสารผสม สารละลายเดียวกันอาจอธิบายได้หลายวิธี และแต่ละหน่วยเหมาะกับจุดประสงค์ต่างกัน นักเคมีที่ผสมปฏิกิริยาใช้โมลาริตี นักเคมีฟิสิกส์ที่ศึกษาจุดเยือกแข็งใช้โมแลลิตี ห้องปฏิบัติการสิ่งแวดล้อมที่ตรวจวิเคราะห์น้ำใช้หน่วย ppm

อธิบายหน่วยความเข้มข้น

• โมลาริตี (M) — จำนวนโมลของตัวถูกละลายต่อลิตรของสารละลาย ใช้กันทั่วไปในเคมีทั่วไป
• โมแลลิตี (m) — จำนวนโมลของตัวถูกละลายต่อกิโลกรัมของตัวทำละลาย ไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ
• ร้อยละโดยมวล (% w/w) — มวลของตัวถูกละลายหารด้วยมวลของสารละลาย แล้วคูณด้วย 100
• ร้อยละโดยปริมาตร (% v/v) — ปริมาตรของตัวถูกละลายหารด้วยปริมาตรของสารละลาย แล้วคูณด้วย 100 ใช้กับสารผสมของเหลว เช่น เครื่องดื่มแอลกอฮอล์
• ส่วนในล้านส่วน (ppm) — มวลของตัวถูกละลายต่อหนึ่งล้านส่วนของสารละลายโดยมวล ใช้กับปริมาณน้อยมากหรือปริมาณร่องรอย

โมลคือจำนวนอนุภาคคงที่จำนวนหนึ่ง (ประมาณ 6.022 × 10²³ อนุภาค) ใช้สำหรับนับอะตอมหรือโมเลกุลโดยการชั่งมวล

วิธีคำนวณโมลาริตี

โมลาริตีคือจำนวนโมลของตัวถูกละลายหารด้วยปริมาตรของสารละลายเป็นลิตร:

$M = \frac{\text{จำนวนโมลของตัวถูกละลาย}}{\text{ปริมาตรของสารละลาย (L)}}$

เนื่องจากจำนวนโมลเท่ากับมวลหารด้วยมวลโมเลกุล สูตรจึงเป็น:

$M = \frac{\text{มวลของตัวถูกละลาย (g)}}{\text{มวลโมเลกุล (g/mol)} \times \text{ปริมาตรของสารละลาย (L)}}$

ตัวอย่าง ละลายโซเดียมคลอไรด์ (NaCl, มวลโมเลกุล 58.44 ก./mol) ปริมาณ 5.85 ก. ในน้ำให้เพียงพอจนได้สารละลายปริมาตร 0.1 ล.:

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

ต้องวัดปริมาตรสุดท้ายหลังจากตัวถูกละลายละลายหมดแล้ว ไม่ใช่วัดก่อน การเติมของแข็งลงในน้ำที่มีปริมาตรคงที่ทำให้ปริมาตรรวมเพิ่มขึ้นเล็กน้อย

วิธีคำนวณโมแลลิตี

โมแลลิตีคำนวณจากจำนวนโมลของตัวถูกละลายหารด้วยมวลของตัวทำละลายเป็นกิโลกรัม แทนที่จะใช้ปริมาตรของสารละลาย:

$m = \frac{\text{มวลของตัวถูกละลาย (g)}}{\text{มวลโมเลกุล (g/mol)} \times \text{มวลของตัวทำละลาย (kg)}}$

ตัวอย่าง ละลาย NaCl ปริมาณ 5.85 ก. ในน้ำปริมาณที่แน่นอน 100 ก. (0.1 กก.):

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

เนื่องจากมวลไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ โมแลลิตีจึงคงที่เมื่อให้ความร้อนหรือทำให้สารละลายเย็นลง ส่วนโมลาริตีไม่คงที่ เพราะปริมาตรขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน ด้วยเหตุนี้จึงใช้โมแลลิตีในการศึกษาการลดลงของจุดเยือกแข็งและการเพิ่มขึ้นของจุดเดือด

วิธีคำนวณร้อยละโดยมวล

ร้อยละโดยมวลคำนวณจากมวลของตัวถูกละลายหารด้วยมวลรวมของสารละลาย แล้วคูณด้วย 100:

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

ตัวอย่าง ละลายน้ำตาล 10 ก. ในน้ำ 90 ก. ทำให้ได้มวลสารละลายรวม 100 ก.:

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

ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่จำหน่ายสำหรับใช้ในครัวเรือนมักติดฉลากว่า "3%" ซึ่งหมายถึงมีไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 3 ก. ต่อสารละลาย 100 ก.

วิธีคำนวณร้อยละโดยปริมาตร

ร้อยละโดยปริมาตรคำนวณจากปริมาตรของตัวถูกละลายหารด้วยปริมาตรรวมของสารละลาย:

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

ตัวอย่าง ผสมเอทานอลกับน้ำให้ได้สารละลายปริมาตร 100 มล. โดยใช้เอทานอล 15 มล.:

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

เครื่องคำนวณไม่ได้รับปริมาตรของตัวถูกละลายโดยตรง แต่จะคำนวณปริมาตรจากมวลของตัวถูกละลายและความหนาแน่นของตัวถูกละลายเอง จึงต้องระบุความหนาแน่นเมื่อใช้โหมดนี้:

$\text{ปริมาตรของตัวถูกละลาย (L)} = \frac{\text{มวลของตัวถูกละลาย (g)}}{\text{ความหนาแน่นของตัวถูกละลาย (g/mL)} \times 1000}$

การป้อนเอทานอล 10 ก. ซึ่งมีความหนาแน่น 0.789 ก./mL ให้ปริมาตรเอทานอล 12.67 มล. ในสารละลาย 1 ล. จะมีค่า 1.27% v/v ความหนาแน่นของตัวถูกละลายไม่ใช่ค่าเดียวกับความหนาแน่นของสารละลาย และการใช้ความหนาแน่นของสารละลายในที่นี้จะให้คำตอบผิด หากตัวถูกละลายมีความหนาแน่นมากกว่าหรือน้อยกว่าสารผสม

หน่วยนี้ใช้ระบุปริมาณแอลกอฮอล์ในเครื่องดื่ม โดยทั่วไปไวน์มีค่า 12–14% v/v ส่วนสุรากลั่นมีค่า 40% v/v หรือสูงกว่า ปริมาตรของของเหลวเมื่อผสมกันไม่ได้รวมกันอย่างพอดีเสมอไป ดังนั้นสารละลายที่ต้องการความแม่นยำจึงต้องวัดให้ได้ปริมาตรสุดท้าย แทนการคาดจากผลรวมของส่วนประกอบ

วิธีคำนวณส่วนในล้านส่วน (ppm)

ส่วนในล้านส่วนใช้กับสารละลายเจือจางมาก โดยนำมวลของตัวถูกละลายหารด้วยมวลของสารละลาย แล้วคูณด้วยหนึ่งล้าน:

$\text{ppm} = \frac{\text{มวลของตัวถูกละลาย}}{\text{มวลของสารละลาย}} \times 1{,}000{,}000$

ตัวอย่าง ตัวอย่างน้ำมวล 1,000 ก. มีตะกั่วละลายอยู่ 0.002 ก.:

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

สำหรับสารละลายในน้ำที่เจือจาง 1 ppm มีค่าใกล้เคียงกับตัวถูกละลายปริมาณ 1 มิลลิกรัมต่อลิตรของสารละลาย

ตัวอย่างการคำนวณ: น้ำเกลือทางสรีรวิทยา

น้ำเกลือทางสรีรวิทยาคือสารละลายเกลือ 0.9% ที่ใช้ทางการแพทย์ เนื่องจากมีความเข้มข้นของเกลือใกล้เคียงกับพลาสมาในเลือด หากตรวจสอบสารละลายที่เตรียมจาก NaCl 9 ก. ซึ่งละลายจนมีปริมาตรสุดท้าย 1 ล. และมีความหนาแน่นของสารละลาย 1.005 ก./mL:

ขั้นแรก หามวลรวมของสารละลายจากปริมาตรและความหนาแน่น:

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

• ร้อยละโดยมวล: 9 ÷ 1,005 × 100 = 0.90%
• โมลาริตี: 9 ÷ (58.44 × 1) = 0.154 mol/L
• โมแลลิตี: มวลตัวทำละลายคือ 1,005 − 9 = 996 ก. (0.996 กก.); 9 ÷ (58.44 × 0.996) = 0.155 mol/kg
• ส่วนในล้านส่วน: 9 ÷ 1,005 × 1,000,000 ≈ 8,955 ppm
• ร้อยละโดยปริมาตร: เกลือของแข็งมีความหนาแน่น 2.165 ก./mL ดังนั้น 9 ก. จึงมีปริมาตร 4.157 มล.; 0.004157 ÷ 1 × 100 = 0.42% v/v

ค่า ppm ไม่เท่ากับ 9,000 พอดี เพราะมวลสารละลายคือ 1,005 ก. ไม่ใช่ 1,000 ก. ส่วนเกิน 5 ก. เกิดจากความหนาแน่นของสารละลายสูงกว่าน้ำบริสุทธิ์เล็กน้อย

หน่วยความเข้มข้นอื่น

บางสาขาใช้หน่วยนอกเหนือจากห้าหน่วยข้างต้น นอร์มาลิตี (N) นับหน่วยที่ทำปฏิกิริยาได้แทนจำนวนโมล ดังนั้นสารละลายกรดซัลฟิวริก (H₂SO₄) ความเข้มข้น 1 M จึงมีค่า 2 N เพราะแต่ละโมเลกุลสามารถให้อิออนไฮโดรเจนได้สองไอออน เศษส่วนโมล คำนวณจากจำนวนโมลขององค์ประกอบหนึ่งหารด้วยจำนวนโมลรวมของทุกองค์ประกอบในสารผสม และใช้ในการคำนวณการกลั่น สำหรับสารละลายที่เจือจางอย่างยิ่ง นักเคมีจะเปลี่ยนจาก ppm ไปใช้ ส่วนในพันล้าน (ppb) หรือ ส่วนในล้านล้าน (ppt)

แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ความเข้มข้นที่คำนวณได้อาจแตกต่างจากค่าจริงด้วยเหตุผลหลายประการ การละลายของของแข็งทำให้ปริมาตรรวมของสารละลายเปลี่ยนไป จึงต้องวัดปริมาตรสุดท้ายหลังผสม ไม่ใช่สมมติว่าเท่ากับปริมาตรตัวทำละลายเริ่มต้น สารเคมีในห้องปฏิบัติการแทบไม่บริสุทธิ์ 100%; รีเอเจนต์ที่ระบุว่า "มีค่าการวิเคราะห์ 98.5%" ต้องเพิ่มมวลเพื่อชดเชย สารประกอบบางชนิดมีน้ำที่รวมอยู่ในโครงสร้างผลึก เรียกว่าน้ำประสานผลึก; คอปเปอร์ซัลเฟตเพนตะไฮเดรต (CuSO₄·5H₂O, 249.68 ก./mol) มีมวลต่อโมลมากกว่าคอปเปอร์ซัลเฟตปราศจากน้ำ (159.61 ก./mol) และการใช้มวลโมเลกุลผิดจะทำให้ผลลัพธ์เปลี่ยน อุณหภูมิทำให้ปริมาตรของสารละลายเปลี่ยน ซึ่งส่งผลต่อโมลาริตีแต่ไม่ส่งผลต่อโมแลลิตี

คำถามที่พบบ่อย

โมลาริตีและโมแลลิตีแตกต่างกันอย่างไร โมลาริตีคำนวณโดยหารด้วยปริมาตรของสารละลายเป็นลิตร โมแลลิตีคำนวณโดยหารด้วยมวลของตัวทำละลายเป็นกิโลกรัม ปริมาตรเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ แต่มวลไม่เปลี่ยน สำหรับสารละลายในน้ำที่เจือจางและอยู่ที่อุณหภูมิห้อง ค่าทั้งสองใกล้เคียงกัน

จะแปลง ppm เป็นร้อยละได้อย่างไร หารค่า ppm ด้วย 10,000 ตัวอย่างเช่น 5,000 ppm เท่ากับ 0.5%

1 ppm เท่ากับ 1 mg/L เสมอหรือไม่ เท่ากันโดยประมาณเท่านั้น และเฉพาะสารละลายเจือจางที่ความหนาแน่นของสารละลายใกล้เคียงกับ 1 ก./mL เช่น ตัวอย่างน้ำส่วนใหญ่ สำหรับของเหลวที่มีความหนาแน่นมากกว่า ค่าทั้งสองจะแตกต่างกัน

เหตุใดความเข้มข้นที่วัดได้จึงไม่ตรงกับค่าที่คำนวณ สาเหตุที่พบบ่อย ได้แก่ รีเอเจนต์ไม่บริสุทธิ์ น้ำที่ยึดอยู่ในโครงสร้างผลึกของตัวถูกละลาย การวัดปริมาตรสารละลายก่อนผสมจนทั่ว หรืออุณหภูมิที่ต่างจากอุณหภูมิขณะเตรียมสารละลาย

ตัวถูกละลายมีความเข้มข้นได้สูงสุดเท่าใด ขีดจำกัดคือค่าการละลายของตัวถูกละลายในตัวทำละลายนั้นที่อุณหภูมิดังกล่าว เกลือแกงละลายได้ประมาณ 36 ก. ต่อน้ำ 100 มล. ที่อุณหภูมิห้อง หากเกินกว่านี้ ของแข็งที่ไม่ละลายจะตกค้างอยู่ก้นภาชนะ

อุณหภูมิมีผลต่อความเข้มข้นหรือไม่ มีผลกับหน่วยที่อิงปริมาตร น้ำขยายตัวเมื่ออุ่นขึ้น ดังนั้นโมลาริตีของสารละลายจะลดลงเล็กน้อยเมื่อให้ความร้อน แม้ว่าปริมาณตัวถูกละลายจะไม่เปลี่ยน ร้อยละโดยมวลและโมแลลิตีซึ่งอิงมวลจะไม่ได้รับผลกระทบ

เอกสารอ้างอิง

1. Harris, D. C. (2015). การวิเคราะห์ทางเคมีเชิงปริมาณ (พิมพ์ครั้งที่ 9). W. H. Freeman.
2. Chang, R., และ Goldsby, K. A. (2015). เคมี (พิมพ์ครั้งที่ 12). McGraw-Hill Education.
3. สหภาพเคมีบริสุทธิ์และเคมีประยุกต์ระหว่างประเทศ (1997). ประมวลศัพท์เคมี ("โกลด์บุ๊ก")
4. สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/