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 символ моль/л или моль / дм3 в единицах СИ. Раствор с концентрацией 1 моль/л называется 1  молярным , обычно обозначаемым как 1 М или 1  ^М. [ ^1] Молярность часто обозначается квадратными скобками вокруг интересующего вещества; например, молярность иона водорода обозначается как [H + ^] .

Определение

Молярная концентрация или молярность чаще всего выражается в единицах моль растворенного вещества на литр раствора . ^[2] Для использования в более широких приложениях она определяется как количество вещества растворенного вещества на единицу объема раствора или на единицу объема, доступного для вида, представленного строчными буквами : ^[3] ${\displaystyle c}$

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

Здесь — количество растворенного вещества в молях, ^[4] — число составляющих частиц, присутствующих в объеме (в литрах) раствора, а — постоянная Авогадро , с 2019 года определяемая как ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle N_{\text{A}}}$6,022 140 76 × 10 ²³  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 . Эта проблема обычно решается путем введения поправочных коэффициентов температуры или путем использования независимой от температуры меры концентрации, такой как моляльность . ^[4]

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

Формальность или аналитическая концентрация

Если молекула или соль диссоциирует в растворе, концентрация относится к исходной химической формуле в растворе, молярная концентрация иногда называется _{формальной} концентрацией или формальностью ( FA ₎ или аналитической концентрацией ( cA ). Например, если раствор карбоната натрия ( Na2CO3 ₎ имеет формальную концентрацию c ( _{Na2CO3 )} = ¹ моль/ л , молярные концентрации составляют c ( Na ₊ ) = 2 моль/л и c ( CO2−3) = 1 моль/л, поскольку соль диссоциирует на эти ионы. ^[5]

Единицы

В Международной системе единиц (СИ) когерентной единицей для молярной концентрации является моль / м ³ . Однако в большинстве химических литературных источников традиционно используется моль / дм ³ , что то же самое, что и моль / л . Эта традиционная единица часто называется моляром и обозначается буквой М, например:

1 моль / м3 = 10−3 ^моль / дм3 = ¹⁰⁻³ моль / л = 10−3 ^{М = 1 мМ = 1}  ммоль/л.

Префикс SI " мега " (символ M) имеет тот же символ. Однако префикс никогда не используется отдельно, поэтому "M" однозначно обозначает молярный. Дробные единицы, такие как "миллимолярный" (мМ) и "наномолярный" (нМ), состоят из единицы, которой предшествует префикс SI :

Связанные величины

Концентрация чисел

Преобразование в числовую концентрацию осуществляется по формуле ${\displaystyle C_{i}}$

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

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

Массовая концентрация

Преобразование в массовую концентрацию осуществляется по формуле ${\displaystyle \rho _{i}}$

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

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

Мольная доля

Преобразование в мольную долю осуществляется по формуле ${\displaystyle x_{i}}$

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

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 осуществляется по формуле ${\displaystyle w_{i}}$

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

Моляльность

Для бинарных смесей преобразование в моляльность равно ${\displaystyle b_{2}}$

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

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

Для растворов с более чем одним растворенным веществом преобразование равно

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

Характеристики

Сумма молярных концентраций – нормализующие соотношения

Сумма молярных концентраций дает общую молярную концентрацию, а именно плотность смеси, деленную на молярную массу смеси или, по-другому, обратную величину молярного объема 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, обусловленного в основном тепловым расширением. На малых интервалах температур зависимость имеет вид

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

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

Примеры

• 11,6 г NaCl растворено 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 непосредственно наблюдать); его плотность вычисляется как 1,07 (111,6 г/104,3 мл).

  Молярная концентрация NaCl в растворе, следовательно, 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 концентрацией 2 моль/л. Масса необходимой соли равна

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

  Для приготовления 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 приблизительно 1000 г/л, а ее молярная масса составляет 18,02 г/моль (или 1/18,02 = 0,055 моль/г). Следовательно, молярная концентрация воды равна

  с ( _Н2О ) = ⁠1000 г/л/18,02 г/моль⁠ ≈ 55,5 моль/л.

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

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

  Концентрация чистого тетроксида осмия (молярная масса = 254,23 г/моль) составляет

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

• Типичный белок в бактериях , 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 равна

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

• Референтные диапазоны для анализов крови , отсортированные по молярной концентрации:
  

Смотрите также

• Моляльность
• Порядки величины (молярная концентрация)

Ссылки

1. Расчет молярной концентрации
2. Тро, Нивальдо Дж. (6 января 2014 г.). Вводные основы химии (Пятое изд.). Бостон. стр. 457. ISBN 9780321919052. OCLC  857356651.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
3. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «amount concentrate, c». doi :10.1351/goldbook.A00295
4. Кауфман, Майрон (2002). Принципы термодинамики . CRC Press. стр. 213. ISBN 0-8247-0692-7.
5. Харви, Дэвид (2020-06-15). "2.2: Концентрация". Chemistry LibreTexts . Получено 2021-12-15 .

Внешние ссылки

• Калькулятор молярной концентрации раствора
• Эксперимент по определению молярной концентрации уксуса методом титрования