Калькулятор концентрації розчинів – Молярність, Моляльність та інше

Що таке калькулятор концентрації розчину?

Калькулятор концентрації розчину визначає кількість розчиненої речовини в розчині, виражену в обраній одиниці. Розчинена речовина — це речовина, яка розчиняється, наприклад сіль або цукор. Цей інструмент використовує масу розчиненої речовини, її молярну масу, об’єм розчину та густину розчину для обчислення п’яти поширених одиниць концентрації: молярності, моляльності, масової частки у відсотках, об’ємної частки у відсотках і частин на мільйон (ppm). Для об’ємної частки у відсотках потрібне ще одне значення — власна густина розчиненої речовини, тому калькулятор запитує її, коли обрано цю одиницю.

Концентрація описує міцність суміші. Той самий розчин можна описати кількома способами, і кожна одиниця підходить для іншої мети. Хімік, який проводить реакцію, використовує молярність. Фізичний хімік, який досліджує температури замерзання, використовує моляльність. Екологічна лабораторія, яка аналізує воду, використовує ppm.

Пояснення одиниць концентрації

• Молярність (M) — кількість молів розчиненої речовини на літр розчину. Поширена в загальній хімії.
• Моляльність (m) — кількість молів розчиненої речовини на кілограм розчинника. Не змінюється з температурою.
• Масова частка у відсотках (% w/w) — маса розчиненої речовини, поділена на масу розчину, помножена на 100.
• Об’ємна частка у відсотках (% v/v) — об’єм розчиненої речовини, поділений на об’єм розчину, помножений на 100. Використовується для рідких сумішей, наприклад алкогольних напоїв.
• Частин на мільйон (ppm) — маса розчиненої речовини на мільйон масових частин розчину. Використовується для дуже малих (слідових) кількостей.

Моль — це фіксована кількість частинок (приблизно 6,022 × 10²³), яку використовують для підрахунку атомів або молекул за їхньою масою.

Як обчислити молярність

Молярність — це кількість молів розчиненої речовини, поділена на об’єм розчину в літрах:

$M = \frac{\text{молі розчиненої речовини}}{\text{об’єм розчину (л)}}$

Оскільки кількість речовини в молях дорівнює масі, поділеній на молярну масу, формула набуває вигляду:

$M = \frac{\text{маса розчиненої речовини (г)}}{\text{молекулярна маса (г/моль)} \times \text{об’єм розчину (л)}}$

Приклад. Розчиніть 5,85 г хлориду натрію (NaCl, молекулярна маса 58,44 г/моль) у такій кількості води, щоб отримати 0,1 л розчину:

$M = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ мол/л}$

Кінцевий об’єм потрібно вимірювати після повного розчинення речовини, а не до нього. Додавання твердої речовини до фіксованого об’єму води трохи збільшує загальний об’єм.

Як обчислити моляльність

Моляльність визначається як кількість молів розчиненої речовини, поділена на масу розчинника в кілограмах, а не на об’єм розчину:

$m = \frac{\text{маса розчиненої речовини (г)}}{\text{молекулярна маса (г/моль)} \times \text{маса розчинника (кг)}}$

Приклад. Розчиніть 5,85 г NaCl рівно в 100 г (0,1 кг) води:

$m = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ моль/кг}$

Оскільки маса не змінюється з температурою, моляльність залишається сталою під час нагрівання або охолодження розчину. Молярність — ні, оскільки об’єм розширюється під дією тепла. Тому моляльність використовують для дослідження зниження температури замерзання та підвищення температури кипіння.

Як обчислити масову частку у відсотках

Масова частка у відсотках — це маса розчиненої речовини, поділена на загальну масу розчину та помножена на 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{маса розчиненої речовини}}{\text{маса розчину}} \times 100$

Приклад. Розчиніть 10 г цукру в 90 г води; загальна маса розчину становитиме 100 г:

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

Перекис водню для побутового використання зазвичай має маркування «3%», тобто містить 3 г перекису водню на 100 г розчину.

Як обчислити об’ємну частку у відсотках

Об’ємна частка у відсотках — це об’єм розчиненої речовини, поділений на загальний об’єм розчину:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{об’єм розчиненої речовини}}{\text{об’єм розчину}} \times 100$

Приклад. Змішайте етанол із водою, щоб отримати 100 мл розчину, використавши 15 мл етанолу:

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

Калькулятору не задають об’єм розчиненої речовини безпосередньо. Він обчислює об’єм за масою розчиненої речовини та її власною густиною, тому в цьому режимі запитує значення густини:

$\text{об’єм розчиненої речовини (л)} = \frac{\text{маса розчиненої речовини (г)}}{\text{густина розчиненої речовини (г/мл)} \times 1000}$

Введення 10 г етанолу, густина якого становить 0,789 г/мл, дає 12,67 мл етанолу. У 1 л розчину це 1,27% v/v. Густина розчиненої речовини не дорівнює густині розчину; використання густини розчину тут дасть неправильну відповідь для будь-якої розчиненої речовини, яка густіша або легша за суміш.

Цю одиницю використовують для позначення вмісту алкоголю в напоях. Вино зазвичай має 12–14% v/v; міцні дистильовані напої — 40% v/v або більше. Об’єми рідин під час змішування не завжди додаються точно, тому точний розчин готують доведенням до кінцевого об’єму, а не вважають його об’єм сумою об’ємів складників.

Як обчислити частини на мільйон (ppm)

Частини на мільйон використовують для дуже розбавлених розчинів. Масу розчиненої речовини ділять на масу розчину та множать на один мільйон:

$\text{ppm} = \frac{\text{маса розчиненої речовини}}{\text{маса розчину}} \times 1{,}000{,}000$

Приклад. Зразок води масою 1 000 г містить 0,002 г розчиненого свинцю:

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

Для розбавлених розчинів на водній основі 1 ppm приблизно відповідає 1 міліграму розчиненої речовини на літр розчину.

Приклад розрахунку: фізіологічний розчин

Фізіологічний розчин — це 0,9% розчин солі, який використовують у медицині, оскільки його концентрація солі відповідає концентрації солі в плазмі крові. Перевіримо партію, виготовлену з 9 г NaCl, розчиненого до кінцевого об’єму 1 л, якщо густина розчину становить 1,005 г/мл:

Спочатку визначимо загальну масу розчину за його об’ємом і густиною:

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

• Масова частка у відсотках: 9 ÷ 1 005 × 100 = 0,90%
• Молярність: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/л
• Моляльність: маса розчинника становить 1 005 − 9 = 996 г (0,996 кг); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/кг
• Частини на мільйон: 9 ÷ 1 005 × 1 000 000 ≈ 8 955 ppm
• Об’ємна частка у відсотках: густина твердої солі становить 2,165 г/мл, тому 9 г займають 4,157 мл; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42% v/v

Значення ppm не дорівнює точно 9 000, оскільки маса розчину становить 1 005 г, а не 1 000 г. Додаткові 5 г зумовлені тим, що густина розчину трохи вища за густину чистої води.

Інші одиниці концентрації

У деяких галузях використовують одиниці, відмінні від п’яти наведених вище. Нормальність (N) враховує реакційні еквіваленти, а не молі; розчин сірчаної кислоти (H₂SO₄) концентрацією 1 M має нормальність 2 Н, оскільки кожна молекула може віддати два йони водню. Мольна частка — це кількість молів одного компонента, поділена на загальну кількість молів усіх речовин у суміші; її використовують у розрахунках дистиляції. Для надзвичайно розбавлених розчинів хіміки переходять від ppm до частин на мільярд (ppb) або частин на трильйон (ppt).

Поширені джерела похибок

Обчислена концентрація може відрізнятися від фактичної з кількох причин. Розчинення твердої речовини змінює загальний об’єм розчину, тому кінцевий об’єм потрібно вимірювати після змішування, а не вважати рівним початковому об’єму розчинника. Лабораторні хімічні речовини рідко мають чистоту 100%; для реагенту з маркуванням «вміст 98,5%» потрібно збільшити масу, щоб компенсувати це. Деякі сполуки містять воду, зв’язану в їхній кристалічній структурі; її називають кристалізаційною водою. Пентагідрат сульфату міді (CuSO₄·5H₂O, 249,68 г/моль) має більшу масу на моль, ніж безводний сульфат міді (159,61 г/моль), і використання неправильної молярної маси змінює результат. Зміна температури змінює об’єм розчину, а отже, і молярність, але не моляльність.

Поширені запитання

У чому різниця між молярністю та моляльністю? Молярність визначається через об’єм розчину в літрах. Моляльність визначається через масу розчинника в кілограмах. Об’єм змінюється з температурою, а маса — ні. Для розбавлених розчинів на водній основі за кімнатної температури ці два значення близькі.

Як перевести ppm у відсотки? Розділіть значення ppm на 10 000. Наприклад, 5 000 ppm дорівнює 0,5%.

Чи завжди 1 ppm дорівнює 1 мг/л? Лише приблизно і лише для розбавлених розчинів, густина яких близька до 1 г/мл, наприклад для більшості зразків води. Для густіших рідин ці значення розходяться.

Чому виміряна концентрація не відповідає моєму розрахунку? Поширені причини: домішки в реагенті, вода, зв’язана в кристалічній структурі розчиненої речовини, вимірювання об’єму розчину до повного перемішування або температура, відмінна від температури, за якої розчин готували.

Якої максимальної концентрації може досягти розчинена речовина? Межа визначається розчинністю речовини в цьому розчиннику за цієї температури. За кімнатної температури кухонна сіль розчиняється у воді в кількості приблизно до 36 г на 100 мл; понад цю кількість нерозчинена тверда речовина залишається на дні посудини.

Чи впливає температура на концентрацію? Так, для одиниць, що ґрунтуються на об’ємі. Під час нагрівання вода розширюється, тому молярність розчину трохи зменшується, хоча кількість розчиненої речовини не змінюється. Масова частка у відсотках і моляльність, що ґрунтуються на масі, не змінюються.

Джерела

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