Stężenie masowe (chemia) - Mass concentration (chemistry)

W chemii The stężenie masowe ρ _I (lub γ _I ), definiuje się jako masę części składowej m _i podzielona przez objętość mieszaniny w V .

${\ Displaystyle \ rho _ {i} = {\ Frac {m_ {i}} {V}}}$

Dla czystej substancji chemicznej stężenie masowe jest równe jego gęstości (masa podzielona przez objętość); zatem stężenie masowe składnika w mieszaninie można nazwać gęstością składnika w mieszaninie. To wyjaśnia użycie ρ (mała grecka litera rho ), symbolu najczęściej używanego dla gęstości.

Definicja i właściwości

Objętość V w definicji odnosi się do objętości roztworu, a nie objętości rozpuszczalnika . Jeden litr roztworu zawiera zwykle nieco więcej lub nieco mniej niż 1 litr rozpuszczalnika, ponieważ proces rozpuszczania powoduje zwiększenie lub zmniejszenie objętości cieczy. Czasami nazywa się stężenie masowe miano .

Notacja

Oznaczenie wspólne z gęstością masową podkreśla związek między tymi dwiema wielkościami (stężenie masowe jest gęstością masową składnika w roztworze), ale może to być źródłem zamieszania, zwłaszcza gdy występują one w tym samym wzorze niezróżnicowanym dodatkowym symbolem (jak gwiazda indeks górny, pogrubiony symbol lub varrho ).

Zależność od głośności

Stężenie masowe zależy od zmienności objętości roztworu głównie z powodu rozszerzalności cieplnej. W małych przedziałach temperatur zależność jest :

${\ Displaystyle \ rho _ {i} = {\ Frac {\ rho _ {i \ lewo (T_ {0} \ prawo)}} {1 + \ alfa \ Delta T}}}$

gdzie ρ _{i ( T 0 )} jest stężeniem masowym w temperaturze odniesienia, α jest współczynnikiem rozszerzalności cieplnej mieszaniny.

Suma stężeń masowych – relacja normalizująca

Suma stężeń masowych wszystkich składników (w tym rozpuszczalnika) daje gęstość ρ roztworu:

${\ Displaystyle \ rho = \ suma _ {i} \ rho _ {i} \}$

Zatem dla czystego składnika stężenie masowe jest równe gęstości czystego składnika.

Jednostki

Jednostką SI dla stężenia masowego jest kg/m ³ ( kilogram / metr sześcienny ). To to samo co mg / ml i g/l. Inną powszechnie używaną jednostką jest g/(100 ml), która jest identyczna z g/dl ( gram / decylitr ).

Wykorzystanie w biologii

W biologii symbol „ % ” jest czasami błędnie używany do oznaczenia stężenia masowego, zwanego również „procentem masy/objętości”. Roztwór z 1 g substancji rozpuszczonej rozpuszczonej w końcowej objętości 100 ml roztworu byłby oznaczony jako „1%” lub „1% m/v” (masa/objętość). Notacja jest matematycznie błędna, ponieważ jednostka „ % ” może być używana tylko dla wielkości bezwymiarowych. „Roztwór w procentach” lub „roztwór w procentach” to terminy najlepiej zarezerwowane dla „roztworów w procentach masowych” (m/m = m% = masa rozpuszczona/roztwór całkowity po zmieszaniu) lub „roztwory w procentach objętościowych” (v/v = v % = objętość substancji rozpuszczonej na objętość całkowitego roztworu po zmieszaniu). Bardzo niejednoznaczne terminy „rozwiązanie procentowe” i „rozwiązania procentowe” bez innych kwalifikatorów są nadal sporadycznie spotykane.

To powszechne użycie % do oznaczania m/v w biologii wynika z tego, że wiele roztworów biologicznych jest rozcieńczonych i opartych na wodzie lub roztworze wodnym . Ciecz wodna ma gęstość około 1 g / cm ³ (1 g / ml). Tak więc 100 ml wody odpowiada około 100 g. Dlatego też roztwór z 1 g substancji rozpuszczonej w końcowej objętości 100 ml roztworu wodnego można również uznać za 1% m/m (1 g substancji rozpuszczonej w 99 g wody). To przybliżenie załamuje się wraz ze wzrostem stężenia substancji rozpuszczonej (na przykład w mieszaninach woda-NaCl ). Wysokie stężenia substancji rozpuszczonych często nie są istotne fizjologicznie, ale czasami spotyka się je w farmakologii, gdzie wciąż czasami spotyka się notację masy na objętość. Skrajnym przykładem jest nasycony roztwór jodku potasu (SSKI), który osiąga 100 % m/v stężenie masowe jodku potasu (1 gram KI na 1 ml roztworu) tylko dlatego, że rozpuszczalność gęstej soli KI jest wyjątkowo wysoka w wodzie, oraz powstały roztwór jest bardzo gęsty (1,72 razy gęstszy od wody).

Chociaż istnieją przykłady przeciwne, należy podkreślić, że powszechnie stosowane „jednostki” % w/v to gramy na mililitr (g/ml). Roztwory 1% m/v są czasami uważane za gram/100 ml, ale to umniejsza fakt, że % m/v to g/ml; 1  g wody ma objętość około 1 ml (w standardowej temperaturze i ciśnieniu), a stężenie masowe wynosi 100%. Aby przygotować 10 ml wodnego 1% roztworu cholanu , 0,1 grama cholanu rozpuszcza się w 10  ml wody. Najodpowiedniejsze do tej procedury są kolby miarowe , ponieważ przy wysokich stężeniach substancji rozpuszczonej mogą wystąpić odchylenia od idealnego zachowania roztworu.

W roztworach stężenie masowe jest powszechnie określane jako stosunek masa/[objętość roztworu] lub m/v. W roztworach wodnych zawierających stosunkowo małe ilości rozpuszczonej substancji (jak w biologii), liczby te można „uprocentować” mnożąc przez 100 stosunek gramów substancji rozpuszczonej na ml roztworu. Wynik podawany jest jako „procent masy/objętości”. Taka konwencja wyraża stężenie masowe 1 grama substancji rozpuszczonej w 100 ml roztworu jako „1 m/v %”.

Powiązane ilości

Gęstość czystego składnika

Zależność między stężeniem masowym a gęstością czystego składnika (stężenie masowe mieszanin jednoskładnikowych) wynosi:

${\ Displaystyle \ rho _ {i} = \ rho _ {i} ^ {*} \ Frac {V_ {i}} {V}} \}$

gdzie ρ^*
_Ijest gęstością czystego składnika, V _i objętością czystego składnika przed zmieszaniem.

Objętość właściwa (lub objętość właściwa dla masy)

Objętość właściwa jest odwrotnością stężenia masowego tylko w przypadku substancji czystych, dla których stężenie masowe jest równe gęstości substancji czystej:

${\ Displaystyle \ nu = {\ Frac {V} {m}} \ = {\ Frac {1} {\ rho}}}$

Stężenie molowe

Przeliczenie na stężenie molowe c _i wyraża się wzorem:

${\ Displaystyle C_ {i} = {\ Frac {\ rho _ {i}} {M_ {i}}}}$

gdzie M _i jest masą molową składnika i .

Ułamek masowy

Przeliczenie na ułamek masowy w _i wyraża się wzorem:

${\ Displaystyle w_ {i} = {\ Frac {\ rho _ {i}} {\ rho }}}$

Ułamek molowy

Przeliczenie na ułamek molowy x _i wyraża się wzorem:

${\ Displaystyle X_ {i} = {\ Frac {\ rho _ {i}} {\ rho}} {\ Frac {M} {M_ {i}}}}$

gdzie M jest średnią masą molową mieszaniny.

Molalność

W przypadku mieszanin binarnych przeliczenie na molalność b _i wyraża się wzorem :

${\ Displaystyle b_ {i} = {\ Frac {\ rho _ {i}} {M_ {i} (\ rho - \ rho _ {i})}}}$

Zmienność przestrzenna i gradient

Różne wartości stężeń (masowych i molowych) w przestrzeni wywołują zjawisko dyfuzji .

Bibliografia