Zawartość składnika w roztworze wyraża się liczbą określającą, ile substancji rozpuszczonej znajduje się w jednostkowej ilości (masie lub objętości) roztworu lub rozpuszczalnika.
ilość substancji rozpuszczonej
zawartość składnika =
ilość roztworu
ilość rozpuszczalnika
Do wyrażenia ilości substancji rozpuszczonej można stosować jednostki fizyczne masy (gramy, miligramy itd.) lub jednostki chemiczne (mole, milimole itd.). Te same jednostki mogą być stosowane do wyrażania ilości roztworu lub rozpuszczalnika. W różnych dziedzinach zostały zwyczajowo przyjęte pewne określone sposoby wyznaczania zawartości składnika w roztworze, najbardziej przydatne w danej dziedzinie. W technice przyjmuje się na ogół jednostki fizyczne, w chemicznych metodach chemii analitycznej najczęściej stosuje się jednostki chemiczne.
Zawartość składnika w roztworze można określić jego ilością w stosunku do objętości całego układu. Taki sposób nazywany jest poprawnie stężeniem. W zależności od tego, czy substancję rozpuszczoną określamy przez jej masę, czy przez liczność substancji rozpuszczonej, możemy mówić o stężeniu masowym składnika bądź o stężeniu molowym.
* * *
Stężenie masowe składnika B, rB, równe jest ilorazowi masy określonego składnika, mB i objętości układu (roztworu) zawierającego tę masę, V
rB
Stężenie to jest również określane jako stężenie masowo-objętościowe i oznaczane m/V. Jednostkami stężenia masowego najczęściej używanymi są g/l, mg/ml, mg/ml. Symbolem stężenia masowego zgodnie z zaleceniami IUPAC jest litera r (ro).
W podręcznikach często jest stosowany symbol c, który zgodnie z tymi wytycznymi oznacza stężenie molowe, a nie ogólnie stężenie.
Symbole jednostek muszą być używane nierozdzielnie. Jeśli więc na przykład mamy roztwór zawierający 12g chlorku sodu w litrze, to nie wolno zapisywać stężenia w postaci 12g NaCl/l, natomiast poprawny jest zapis 12g/l NaCl. Uwaga ta ma charakter ogólny i odnosi się do wszystkich sposobów zapisu zawartości składnika.
Przykład 1:
Jakie jest stężenie masowe roztworu, który w 0.25 litra zawiera 5 gramów chlorku sodu?
Rozwiązanie:Z definicji stężenia masowego
rNaCl g/l NaCl
Przykład 2:
Obliczyć stężenie masowe roztworu, który w 250ml zawiera 0.2 mola NaOH.
Rozwiązanie: Należy najpierw obliczyć masę wodorotlenku sodu, która odpowiada 0.2mola. Ponieważ masa molowa NaOH
MNaOH = MNa + MO + MH = 22.99 + 16.00 + 1.01 = 40.00 g/mol
Podana liczność odpowiada masie
mNaOH = MNaOH ´ nNaOH = 40.00 ´ 0.2 = 8.00 g
stąd stężenie masowe
rNaCl g/l NaOH
Ułamek masowy, wB, jest to stosunek masy określonego składnika, mB, do masy całego układu (roztworu), mG. Określa on liczbę gramów składnika B w 100 gramach roztworu.
wB
Ułamek masowy można wyrazić również w formie
åmi –suma mas wszystkich składników roztworu (na ogół składnika rozpuszczonego i rozpuszczalnika), wtedy
gdzie: mR –masa rozpuszczalnika.
Ułamek masowy jest wielkością niemianowaną, ponieważ zarówno masa składnika, jak i masa roztworu muszą być wyrażone w tych samych jednostkach masy, np. g/g lub kg/kg. Uwaga ta odnosi się również do innych ułamków (objętościowego, molowego), które muszą być również wyrażane w takich samych jednostkach objętości lub liczności.
Często zawartość składnika jest wyrażana w procentach; określa się ją wtedy jako procent obliczony masowo i oznacza % (m/m). (Dawniej do określenia tego stężenia stosowano nazwę –procent wagowy). W ten sposób z reguły wyraża się zawartość składników w stężonych roztworach kwasów i zasad, np. określenie 25% (m/m) HNO3 oznacza, że w 100 g roztworu kwasu znajduje się 25 gramów kwasu azotowego (V).
Ułamek masowy wyrażony w % oznacza więc masę substancji (w gramach) rozpuszczonej w 100 g roztworu.
Przykład 3:
Roztwór zawiera 30g NaOH w 250ml roztworu. Jaka jest zawartość NaOH wyrażona w ułamku masowym i w % obliczonych masowo? Jakie jest stężenie masowe roztworu? Gęstość roztworu wynosi 1.11g/l.
Rozwiązanie: Aby obliczyć ułamek masowy NaOH, należy wyznaczyć masę roztworu d, m = d×V = 1.11×250 =277g
wNaOH
zNaOH = 0.108 × 100% = 10.8%
r g/ml
W analizie śladowej oznacza się bardzo małe zawartości składników (mniej niż 0.01%) i aby uniknąć stosowania bardzo małych liczb wprowadzono specjalne jednostki (obecnie niezalecane) oznaczane skrótem ppm, pochodzącym od nazwy angielskiej parts per milion (części na milion).
Zawartość 1 ppm oznacza, że w 1 milionie części (np. gramów) substancji analizowanej znajduje się 1 część (1gram) oznaczanego składnika, czyli 1 część na milion.
Dla odważki wynoszącej 1g, 1ppm = 10-6g. Występują zatem zależności
1ppm = 10-6g/g = 1mg/g = 1mg/ml = 10-4 %
(10-4 %, ponieważ 1g stanowi 100%).
Inną jednostką małych stężeń jest 1 ppb –1 część na miliard (ang. part per billion). Billion w piśmiennictwie amerykańskim oznacza miliard (109), a nie bilion (1012).
1ppb = 10-9g/g = 1ng/g = 1ng/ml = 10-7 %
Jeszcze mniejszą jednostką jest 1 ppt – 1 część na trylion (ang. part per trillion).
1ppt = 10-12g/g = 1pg/g = 1pg/ml = 10-10 %
W piśmiennictwie amerykańskim oznaczenie ppt jest używane także do wyrażania liczby części wagowych substancji zawartych w 103 części wagowych roztworu (parts per thousand), np. 1 ppt NaCl oznacza 1g NaCl w 1kg roztworu.
Ułamek objętościowy, nB, jest to stosunek objętości określonego składnika VB do objętości całego układu (roztworu) VG
nB
Często zawartość składnika jest wyrażana w procentach i określana jako procent obliczony objętościowo oraz oznaczana % (V/V). W ten sposób wyraża się stężenie substancji ciekłych lub gazowych, np. określenie C2H5OH roztwór wodny 15% (V/V) oznacza, że 15ml etanolu rozcieńczono wodą do objętości 100ml. Ułamek objętościowy wyrażony w % oznacza więc objętość substancji (w mililitrach) rozpuszczonej w 100ml roztworu.
Ułamek objętościowy jest formą wyrażenia stężenia mieszaniny gazów lub cieczy. Objętości składnika rozpuszczonego, rozpuszczalnika i roztworu powinny być mierzone w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia.
Ułamek molowy, xB, jest to stosunek liczności materii nB określonego składnika do sumy liczności materii wszystkich składników układu åni
xB
Jednostka mol/mol. Stężenie to jest wyrażane również jako procent obliczony molowo (i zapisywane w skrócie % (n/n)); wtedy określa liczbę moli danego składnika w roztworze o całkowitej liczności materii równej 100.
Znając masy składników układu mB i ich masy molowe MB liczbę moli można wyrazić wzorem
Suma ułamków molowych składników mieszaniny jest równa jedności.
Przykład 6:
Zmieszano 0.02 mola wody, 1.00 mol etanolu i 0.98 mola benzenu. Wyrazić skład roztworu w ułamkach molowych.
Rozwiązanie: Początkowo należy obliczyć całkowitą (sumaryczną) liczność mieszaniny. Wynosi ona
0.02 + 1.00 + 0.98 = 2.00 mol
Udziały molowe poszczególnych składników, a więc ich ułamki molowe, wynoszą:
xH2O xC2H5OH xC6H6
łatwo sprawdzić również, że
czyli
xH2O + xC2H5OH + xC6H6 = 0.01 + 0.50 + 0.49 = 1.00
Odpowiednie ułamki molowe można wyrazić w procentach i wówczas
xH2O (%)(n/n)
xC2H5OH (%)(n/n)
xC6H6 (%)(n/n)
Stężenie molowe, cB, jest to stosunek liczności (ilości) materii, nB, określonych cząstek B rozpuszczonego składnika do całkowitej objętości danego roztworu, V, zawierającego te cząstki.
cB
...
ephedra