Массовая концентрация (химия)

Химический термин, обозначающий плотность компонента смеси.

В химии массовая концентрация ρ _i (или γ _i ) определяется как масса компонента m _i , деленная на объем смеси V. ^[1]

${\displaystyle \rho _{i}={\frac {m_{i}}{V}}}$

Для чистого химического вещества массовая концентрация равна его плотности (масса, деленная на объем); таким образом, массовую концентрацию компонента в смеси можно назвать плотностью компонента в смеси. Это объясняет использование ρ (строчная греческая буква ро ), символа, чаще всего используемого для обозначения плотности.

Определение и свойства

Объем V в определении относится к объему раствора, а не к объему растворителя . В одном литре раствора обычно содержится чуть больше или чуть меньше 1 литра растворителя, поскольку в процессе растворения объем жидкости увеличивается или уменьшается. Иногда массовую концентрацию называют титром .

Обозначения

Общие для массовой плотности обозначения подчеркивают связь между двумя величинами (массовая концентрация — это массовая плотность компонента в растворе), но могут стать источником путаницы, особенно когда они появляются в одной и той же формуле, не различаясь дополнительным символом. (например, звездный надстрочный индекс, жирный символ или варро ).

Зависимость от объема

Массовая концентрация зависит от изменения объема раствора, главным образом, за счет теплового расширения. На малых интервалах температур зависимость имеет вид:

${\displaystyle \rho _{i}={\frac {\rho _{i\left(T_{0}\right)}}{1+\alpha \Delta T}}}$

где ρ _{i ( T 0 )} – массовая концентрация при эталонной температуре, α – коэффициент теплового расширения смеси.

Сумма массовых концентраций – нормировочное соотношение

Сумма массовых концентраций всех компонентов (включая растворитель) дает плотность раствора ρ :

${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}\,}$

Таким образом, для чистого компонента массовая концентрация равна плотности чистого компонента.

Единицы

Единицей измерения массовой концентрации в системе СИ является кг/м ³ ( килограмм / кубический метр ). Это то же самое, что мг / мл и г/л. Другая часто используемая единица измерения — г/(100 мл), которая идентична г/дл ( грамм / децилитр ).

Использование в биологии

В биологии символ « % » иногда неправильно используется для обозначения массовой концентрации, также называемой «процент массы/объема». Раствор, в котором 1 г растворенного вещества растворен в конечном объеме 100 мл раствора, будет помечен как «1%» или «1% m/v» (масса/объем). Обозначение математически ошибочно, поскольку единицу измерения « % » можно использовать только для безразмерных величин. «Процентный раствор» или «процентный раствор», таким образом, являются терминами, которые лучше всего использовать для «массовых процентных растворов» (m/m = m% = масса растворенного вещества/массовая общая масса раствора после смешивания) или «объемных процентных растворов» (v/v = v % = объем растворенного вещества на объем общего раствора после смешивания). Время от времени по-прежнему встречаются очень двусмысленные термины «процентное решение» и «процентное решение» без каких-либо других уточнений.

Такое распространенное использование % для обозначения соотношения m/v в биологии связано с тем, что многие биологические растворы являются разбавленными и имеют водную основу или водный раствор . Жидкая вода имеет плотность примерно 1 г/см ³ (1 г/мл). Таким образом, 100 мл воды равны примерно 100 г. Следовательно, раствор, в котором 1 г растворенного вещества растворен в конечном объеме водного раствора объемом 100 мл, также можно считать 1% массовым (1 г растворенного вещества в 99 г воды). Это приближение нарушается при увеличении концентрации растворенного вещества (например, в смесях вода–NaCl ). Высокие концентрации растворенных веществ часто не имеют физиологического значения, но иногда встречаются в фармакологии, где до сих пор иногда встречается обозначение массы на объем. Крайним примером является насыщенный раствор йодида калия (SSKI), массовая концентрация йодида калия которого достигает 100 «%» по массе (1 грамм KI на 1 мл раствора) только потому, что растворимость плотной соли KI чрезвычайно высока в воде, и полученный раствор очень плотный (в 1,72 раза плотнее воды).

Хотя есть примеры обратного, следует подчеркнуть, что обычно используемыми «единицами» % мас./об. являются граммы на миллилитр (г/мл). Растворы с концентрацией 1% м/об иногда считаются граммами на 100 мл, но это умаляет тот факт, что % м/об равен г/мл; 1  г воды имеет объем примерно 1 мл (при стандартной температуре и давлении), а массовая концентрация считается 100%. Для приготовления 10 мл водного 1% раствора холата 0,1 г холата растворяют в 10  мл воды. Мерные колбы являются наиболее подходящей стеклянной посудой для этой процедуры, поскольку при высоких концентрациях растворенных веществ могут наблюдаться отклонения от идеального поведения раствора.

В растворах массовая концентрация обычно представляет собой отношение масса/[объем раствора] или m/v. В водных растворах, содержащих относительно небольшие количества растворенных веществ (как в биологии), такие цифры можно «процентизировать», умножив на 100 соотношение граммов растворенного вещества на мл раствора. Результат выражают как «процент массы/объема». Такое соглашение выражает массовую концентрацию 1 грамма растворенного вещества в 100 мл раствора как «1 м/об %».

Сопутствующие количества

Плотность чистого компонента

Связь между массовой концентрацией и плотностью чистого компонента (массовой концентрацией однокомпонентных смесей) равна:

${\displaystyle \rho _{i}=\rho _{i}^{*}{\frac {V_{i}}{V}}\,}$

где ρ^∗
_я– плотность чистого компонента, V _{i –} объем чистого компонента до смешивания.

Удельный объем (или удельный массовый объем)

Удельный объем является обратной массовой концентрацией только в случае чистых веществ, для которых массовая концентрация равна плотности чистого вещества:

${\displaystyle \nu ={\frac {V}{m}}\ ={\frac {1}{\rho }}}$

Молярная концентрация

Преобразование в молярную концентрацию c _i определяется по формуле:

${\displaystyle c_{i}={\frac {\rho _{i}}{M_{i}}}}$

где Mi _— молярная масса компонента i .

Массовая доля

Преобразование в массовую долю w _i определяется по формуле:

${\displaystyle w_{i}={\frac {\rho _{i}}{\rho }}}$

Мольная доля

Преобразование в мольную долю x _i определяется по формуле:

${\displaystyle x_{i}={\frac {\rho _{i}}{\rho }}{\frac {M}{M_{i}}}}$

где М – средняя молярная масса смеси.

Моляльность

Для бинарных смесей преобразование в моляльность b _i определяется по формуле:

${\displaystyle b_{i}={\frac {\rho _{i}}{M_{i}(\rho -\rho _{i})}}}$

Пространственные вариации и градиент

Различные в пространстве значения (массовой и молярной) концентрации вызывают явление диффузии .

Рекомендации

1. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «Массовая концентрация». дои :10.1351/goldbook.M03713