Молярная концентрация

Мера концентрации химического вещества

Молярная концентрация (также называемая молярностью , количественной концентрацией или концентрацией вещества ) — это мера концентрации химического вещества , в частности растворенного вещества , в растворе , выраженная в количестве вещества на единицу объема раствора. В химии наиболее часто используемой единицей молярности является число молей на литр , имеющее обозначение моль/л или моль / дм ³ в единицах СИ. Раствор с концентрацией 1 моль/ л называется 1  молярным , что обычно обозначается как 1 М или 1  М. Молярность часто обозначается в квадратных скобках вокруг интересующего вещества; например, молярность иона водорода обозначается как [H ⁺ ].

Определение

Молярная концентрация или молярность чаще всего выражается в молях растворенного вещества на литр раствора . ^[1] Для более широкого применения оно определяется как количество вещества растворенного вещества на единицу объема раствора или на единицу объема, доступного для вида, представленного строчными буквами : ^[2] ${\displaystyle c}$

${\displaystyle c={\frac {n}{V}}={\frac {N}{N_{\text{A}}\,V}}={\frac {C}{N_{\text{A}}}}.}$

Здесь – количество растворенного вещества в молях, ^[3] – количество составляющих частиц, присутствующих в объеме (в литрах) раствора, – константа Авогадро , с 2019 года определяемая как именно ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle N_{\text{A}}}$6,02214076 × 1023 ^моль  - ¹ . _ _ Отношение представляет собой плотность числа . ${\displaystyle {\frac {N}{V}}}$ ${\displaystyle C}$

В термодинамике использование молярной концентрации часто неудобно, поскольку объем большинства растворов слабо зависит от температуры из-за теплового расширения . Эту проблему обычно решают путем введения температурных поправочных коэффициентов или использования независимой от температуры меры концентрации, такой как моляльность . ^[3]

Обратная величина представляет собой разбавление (объем), которое может фигурировать в законе разбавления Оствальда .

Формальность или аналитическая концентрация

Если молекулярное вещество диссоциирует в растворе, концентрация относится к исходной химической формуле в растворе, молярную концентрацию иногда называют формальной концентрацией или формальностью ( FA ₎ или аналитической концентрацией ( c _A ). Например, если раствор карбоната натрия ( Na ₂ CO ₃ ) имеет формальную концентрацию c ( Na ₂ CO ₃ ) = 1 моль/л, молярные концентрации составляют c ( Na ⁺ ) = 2 моль/л и c ( CO2-3) = 1 моль/л, поскольку соль диссоциирует на эти ионы. ^[4]

Единицы

В Международной системе единиц (СИ) единой единицей молярной концентрации является моль / м ³ . Однако в большей части химической литературы традиционно используется моль / дм ³ , что совпадает с моль / л . Эту традиционную единицу часто называют моляром и обозначают буквой М, например:

1 моль / м ³ = 10 ^-3 моль / дм ³ = 10 ^-3 моль / л = 10 ^-3  М = 1 мМ = 1 ммоль/л.

Префикс СИ « мега » (символ М) имеет тот же символ. Однако приставка никогда не используется отдельно, поэтому «М» однозначно обозначает моляр. Промежуточные кратные, такие как «миллимолярный» (мМ) и «наномолярный» (нМ), состоят из единицы, которой предшествует префикс СИ :

Сопутствующие количества

Числовая концентрация

Преобразование в числовую концентрацию определяется выражением ${\displaystyle C_{i}}$

${\displaystyle C_{i}=c_{i}N_{\text{A}},}$

где постоянная Авогадро . ${\displaystyle N_{\text{A}}}$

Массовая концентрация

Преобразование в массовую концентрацию определяется выражением ${\displaystyle \rho _{i}}$

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

где – молярная масса компонента . ${\displaystyle M_{i}}$ ${\displaystyle i}$

Мольная доля

Преобразование в мольную долю определяется выражением ${\displaystyle x_{i}}$

${\displaystyle x_{i}=c_{i}{\frac {\overline {M}}{\rho }},}$

где – средняя молярная масса раствора, – плотность раствора. ${\displaystyle {\overline {M}}}$ ${\displaystyle \rho }$

Более простое соотношение можно получить, рассматривая общую молярную концентрацию, а именно сумму молярных концентраций всех компонентов смеси:

${\displaystyle x_{i}={\frac {c_{i}}{c}}={\frac {c_{i}}{\sum _{j}c_{j}}}.}$

Массовая доля

Преобразование в массовую долю определяется выражением ${\displaystyle w_{i}}$

${\displaystyle w_{i}=c_{i}{\frac {M_{i}}{\rho }}.}$

Моляльность

Для бинарных смесей перевод в моляльность равен ${\displaystyle b_{2}}$

${\displaystyle b_{2}={\frac {c_{2}}{\rho -c_{1}M_{1}}},}$

где растворителем является вещество 1, а растворенным веществом — вещество 2.

Для растворов, содержащих более одного растворенного вещества, преобразование равно

${\displaystyle b_{i}={\frac {c_{i}}{\rho -\sum _{j\neq i}c_{j}M_{j}}}.}$

Характеристики

Сумма молярных концентраций – нормализующие отношения

Сумма молярных концентраций дает общую молярную концентрацию, а именно плотность смеси, деленную на молярную массу смеси или, иначе говоря, величину, обратную молярному объему смеси. В ионном растворе ионная сила пропорциональна сумме молярных концентраций солей.

Сумма произведений молярных концентраций и парциальных молярных объемов

Сумма произведений этих величин равна единице:

${\displaystyle \sum _{i}c_{i}{\overline {V_{i}}}=1.}$

Зависимость от объема

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

${\displaystyle c_{i}={\frac {c_{i,T_{0}}}{1+\alpha \Delta T}},}$

где – молярная концентрация при базовой температуре, – коэффициент теплового расширения смеси. ${\displaystyle c_{i,T_{0}}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Примеры

• 11,6 г NaCl растворяют в 100 г воды. Конечная массовая концентрация ρ (NaCl) равна

  ρ (NaCl) =11,6 г/11,6 г + 100 г= 0,104 г/г = 10,4 %.

  Объем такого раствора составляет 104,3 мл (объем можно наблюдать непосредственно); его плотность рассчитана как 1,07 (111,6 г/104,3 мл).

  Таким образом, молярная концентрация NaCl в растворе равна

  с (NaCl) =11,6 г/58 г/моль/ 104,3 мл = 0,00192 моль/мл = 1,92 моль/л.

  Здесь 58 г/моль — молярная масса NaCl.
• Типичная задача по химии — приготовление 100 мл (= 0,1 л) раствора NaCl в воде с концентрацией 2 моль/л. Необходимая масса соли

  м (NaCl) = 2 моль/л × 0,1 л × 58 г/моль = 11,6 г.

  Для создания раствора 11,6 г NaCl помещают в мерную колбу , растворяют в небольшом количестве воды, затем добавляют еще воды до тех пор, пока общий объем не достигнет 100 мл.
• Плотность воды составляет примерно 1000 г/л, а ее молярная масса — 18,02 г/моль (или 1/18,02 = 0,055 моль/г). Следовательно, молярная концентрация воды равна

  с (Н ₂ О) =1000 г/л/18,02 г/моль≈ 55,5 моль/л.

  Аналогично, концентрация твердого водорода (молярная масса = 2,02 г/моль) равна

  с (Ч ₂ ) =88 г/л/2,02 г/моль= 43,7 моль/л.

  Концентрация чистого четырехокиси осмия (молярная масса = 254,23 г/моль) равна

  в (OsO ₄ ) =5,1 кг/л/254,23 г/моль= 20,1 моль/л.

• Типичный белок бактерий , таких как E.coli , может иметь около 60 копий, а объем бактерии составляет около 10-15 ^л  . Таким образом, числовая концентрация C равна
  С = 60/(10-15 ^л ) = 6 × 10¹⁶ л ^-1 .
  Молярная концентрация

  с =С/Н _А"="6 × 10¹⁶ л ^-1/6 × 10²³ моль ^-1= 10 ^-7 моль/л = 100 нмоль/л.

• Референтные диапазоны анализов крови , отсортированные по молярной концентрации:
  

Смотрите также

• Моляльность
• Порядки величины (молярная концентрация)

Рекомендации

1. Тро, Нивалдо Дж. (6 января 2014 г.). Вводные основы химии (Пятое изд.). Бостон. п. 457. ИСБН 9780321919052. ОСЛК  857356651.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) «Количество концентрации, с». дои :10.1351/goldbook.A00295
3. Кауфман, Майрон (2002). Принципы термодинамики . ЦРК Пресс. п. 213. ИСБН 0-8247-0692-7.
4. Харви, Дэвид (15 июня 2020 г.). «2.2: Концентрация». Химия LibreTexts . Проверено 15 декабря 2021 г.

Внешние ссылки

• Калькулятор молярной концентрации раствора
• Опыт по определению молярной концентрации уксуса методом титрования.