Объёмная доля — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Объёмная до́ля (также объёмная часть, доля по объёму) — безразмерная величина, равная отношению объёма какого-то вещества в смеси к сумме объёмов компонентов до смешивания^[1].

Обычно обозначается греческой буквой ϕ{\displaystyle {\ce {\phi}}}.

Понятие применяется, в основном, к газам и жидкостям. В случае газов применение объемной доли удобно тем, что объёмная доля газа в смеси химически невзаимодействующих газов равна его молярной доле в этой же смеси, что достаточно точно выполняется при не слишком больших давлениях и температурах.

Разница между суммой объёмов компонентов смеси и объёмом смеси на примере воды и этанола.

Объёмная доля определяется по формуле:

ϕB=VB∑Vi,{\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{\sum V_{i}}},}

где:

• ϕB{\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }} — объёмная доля компонента B;
• VB{\displaystyle V_{\mathrm {B} }} — объём компонента B;
• ∑Vi{\displaystyle \sum V_{i}} — сумма объёмов всех компонентов.

При смешивании некоторых жидкостей их суммарный объём может изменяться относительно суммы объёмов компонентов, в связи с чем не всегда корректно заменять сумму объёмов компонентов на объём раствора (смеси), например, в смесях этанола с водой.

Иногда используется обычно близкая по величине схожая величина, называемая объёмной концентрацией σB{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }}:

σB=VBV,{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{V}},}

где:

• σB{\displaystyle \sigma _{\mathrm {B} }} — объёмная концентрация компонента B;
• VB{\displaystyle V_{\mathrm {B} }} — объём чистого компонента B до смешивания;
• V{\displaystyle V} — объём полученной смеси.

Иногда эту величину также называют объёмной долей, поэтому рекомендуется указывать определения используемых величин для избежания разночтений. Например, в ГОСТ «Продукция алкогольная и сырьё для её производства. Метод определения объемной доли этилового спирта»^[2] под объёмной долей понимается величина, в данной статье называемая объёмной концентрацией.

Как объёмная доля, так и объёмная концентрация являются безразмерными величинами. Для удобства их часто выражают в процентах, иногда также используют промилле и миллионные доли. Иногда, чтобы подчеркнуть, что речь идет об объёмной доле (либо объёмной концентрации) пишут «% об.», или «об.%», — объёмные проценты (англ. % vol.). ИЮПАК не рекомендует использовать такие обозначения^[3], вместо этого следует явно указывать величину, к которой относится указываемое значение. Например, вместо «Концентрация кислорода в воздухе составляет 21 % об.» следует писать «Объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21 %».

Массовая доля вещества Википедия

Концентра́ция или до́ля компонента смеси — величина, количественно характеризующая содержание компонента относительно всей смеси. Терминология ИЮПАК под концентрацией компонента понимает четыре величины: соотношение молярного, или численного количества компонента, его массы, или объёма исключительно к объёму раствора^[1] (типичные единицы измерения — соответственно моль/л, л⁻¹, г/л, и безразмерная величина). Долей компонента ИЮПАК называет безразмерное соотношение одной из трёх однотипных величин — массы, объёма или количества вещества.^[2] Однако в обиходе термин «концентрация» могут применять и для долей, не являющихся объёмными долями, а также к соотношениям, не описанным ИЮПАК. Оба термина могут применяться к любым смесям, включая механические смеси, но наиболее часто применяются к растворам.

Можно выделить несколько типов математического описания: массовая концентрация, молярная концентрация, концентрация частиц и объемная концентрация^[3].

Эти стаканы, содержащие красный краситель, демонстрируют качественные изменения концентрации. Растворы слева более разбавлены, по сравнению с более концентрированными растворами справа.

Массовая доля[ | ]

Массовая доля компонента — отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов. По рекомендациям ИЮПАК,^[4] обозначается символом w{\displaystyle w}, в русскоязычной литературе чаще встречается обозначение ω{\displaystyle \omega }. Массовая доля — безразмерная величина, как правило выражается в долях единицы или в процентах (для выражения массовой доли в процентах следует умножить указанное выражение на 100 %):

ωB=mBm{\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m}}}

где:

• ω_B — массовая доля компонента B
• m_B — масса компоне

Массовая доля вещества Википедия

Концентра́ция или до́ля компонента смеси — величина, количественно характеризующая содержание компонента относительно всей смеси. Терминология ИЮПАК под концентрацией компонента понимает четыре величины: соотношение молярного, или численного количества компонента, его массы, или объёма исключительно к объёму раствора^[1] (типичные единицы измерения — соответственно моль/л, л⁻¹, г/л, и безразмерная величина). Долей компонента ИЮПАК называет безразмерное соотношение одной из трёх однотипных величин — массы, объёма или количества вещества.^[2] Однако в обиходе термин «концентрация» могут применять и для долей, не являющихся объёмными долями, а также к соотношениям, не описанным ИЮПАК. Оба термина могут применяться к любым смесям, включая механические смеси, но наиболее часто применяются к растворам.

Можно выделить несколько типов математического описания: массовая концентрация, молярная концентрация, концентрация частиц и объемная концентрация^[3].

Эти стаканы, содержащие красный краситель, демонстрируют качественные изменения концентрации. Растворы слева более разбавлены, по сравнению с более концентрированными растворами справа.

Массовая доля

Массовая доля компонента — отношение массы данного компонента к сумме масс всех компонентов. По рекомендациям ИЮПАК,^[4] обозначается символом w{\displaystyle w}, в русскоязычной литературе чаще встречается обозначение ω{\displaystyle \omega }. Массовая доля — безразмерная величина, как правило выражается в долях единицы или в процентах (для выражения массовой доли в процентах следует умножить указанное выражение на 100 %):

ωB=mBm{\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m}}}

где:

• ω_B — массовая доля компонента B
• m_B — масса компонента B;
• m{\displaystyle m} — общая масса всех компонентов смеси.

В бинарных растворах часто существует однозначная (функциональная) зависимость между плотностью раствора и его концентрацией (при данной температуре). Это даёт возможность определять на практике концентрации важных растворов с помощью денсиметра (спиртометра, сахариметра, лактометра). Некоторые ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора (спирта, жира в молоке, сахара). Следует учитывать, что для некоторых веществ кривая плотности раствора имеет максимум, в этом случае проводят два измерения: непосредственное, и при небольшом разбавлении раствора.

Часто для выражения концентрации (например, серной кислоты в электролите аккумуляторных батарей) пользуются просто их плотностью. Распространены ареометры (денсиметры, плотномеры), предназначенные для определения концентрации растворов веществ.

Пример: зависимость плотности растворов H₂SO₄ от её массовой доли в водном растворе при 25 °C^{[источник не указан 2829 дней]}

ω, %	5	10	15	20	30	40	50	60	70	80	90	95
ρ H2SO4, г/мл	1,032	1,066	1,102	1,139	1,219	1,303	1,395	1,498	1,611	1,727	1,814	1,834

Объёмная доля

Объёмная доля компонента — отношение объёма компонента к сумме объёмов компонентов до смешивания. Объёмная доля измеряется в долях единицы или в процентах.

ϕB=VB∑Vi{\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{\sum V_{i}}}},

где:

• ϕB{\displaystyle \phi _{\mathrm {B} }} — объёмная доля компонента B,
• V_B — объём компонента B;
• ∑Vi{\displaystyle \sum V_{i}} — сумма объёмов всех компонентов до смешивания.

При смешивании жидкостей их суммарный объём может уменьшаться, поэтому не следует заменять сумму объёмов компонентов на объём смеси.

Как было указано выше, существуют ареометры, предназначенные для определения концентрации растворов определённых веществ. Такие ареометры проградуированы не в значениях плотности, а непосредственно концентрации раствора. Для распространённых растворов этилового спирта, концентрация которых обычно выражается в объёмных процентах, такие ареометры получили название спиртомеров или андрометров.

Молярность (молярная объёмная концентрация)

Молярная концентрация (молярность, мольность^[5]) — количество вещества (число молей) компонента в единице объёма смеси. Молярная концентрация в системе СИ измеряется в моль/м³, однако на практике её гораздо чаще выражают в моль/л или ммоль/л. Также используют выражение «в молярности». Возможно другое обозначение молярной концентрации, которое принято обозначать М. Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/л называют 0,5-молярным, записывают «0,5 M».

По рекомендации ИЮПАК, обозначается буквой c{\displaystyle c} или [B]{\displaystyle [B]}, где B — вещество, концентрация которого указывается.^[6]

Примечание: После числа пишут «моль», подобно тому, как после числа пишут «см», «кг» и т. п., не склоняя по падежам.

cB=nBV{\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}},

где:

Нормальная концентрация (молярная концентрация эквивалента, «нормальность»)

Нормальная концентрация — количество эквивалентов данного вещества в 1 литре смеси. Нормальную концентрацию выражают в моль-экв/л или г-экв/л (имеется в виду моль эквивалентов). Для записи концентрации таких растворов используют сокращения «н» или «N». Например, раствор, содержащий 0,1 моль-экв/л, называют децинормальным и записывают как 0,1 н.

c(feq B)=c((1/z) B)=z⋅cB=z⋅nBV=1feq⋅nBV{\displaystyle c(f_{eq}~\mathrm {B} )=c{\big (}(1/z)~\mathrm {B} {\big )}=z\cdot c_{\mathrm {B} }=z\cdot {\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}={\frac {1}{f_{eq}}}\cdot {\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}},

где:

Нормальная концентрация может отличаться в зависимости от реакции, в которой участвует вещество. Например, одномолярный раствор H₂SO₄ будет однонормальным, если он предназначается для реакции со щёлочью с образованием гидросульфата калия KHSO₄, и двухнормальным в реакции с образованием K₂SO₄.

Мольная (молярная) доля

Мольная доля — отношение количества молей данного компонента к общему количеству молей всех компонентов. Мольную долю выражают в долях единицы. ИЮПАК рекомендует обозначать мольную долю буквой x{\displaystyle x} (а для газов — y{\displaystyle y})^[7], также в литературе встречаются обозначения χ{\displaystyle \chi }, X{\displaystyle X}.

xB=nB∑ni{\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{\sum n_{i}}}},

где:

• xB{\displaystyle x_{\mathrm {B} }} — мольная доля компонента B;
• nB{\displaystyle n_{\mathrm {B} }} — количество компонента B, моль;
• ∑ni{\displaystyle \sum n_{i}} — сумма количеств всех компонентов.

Мольная доля может использоваться, например, для количественного описания уровня загрязнений в воздухе, при этом её часто выражают в частях на миллион (ppm — от англ. parts per million). Однако, как и в случае с другими безразмерными величинами, во избежание путаницы, следует указывать величину, к которой относится указанное значение.

Моляльность (молярная весовая концентрация, моляльная концентрация)

Моляльная концентрация (моляльность,^[5] молярная весовая концентрация) — количество растворённого вещества (число моль) в 1000 г растворителя. Измеряется в молях на кг, также распространено выражение в «моляльности». Так, раствор с концентрацией 0,5 моль/кг называют 0,5-мольным.

mB=nBmA{\displaystyle {m_{\mathrm {B} }}={\frac {n_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }}}},

где:

Следует обратить особое внимание, что, несмотря на сходство названий, молярная концентрация и моляльность — величины различные. Прежде всего, в отличие от молярной концентрации, при выражении концентрации в моляльности расчёт ведут на массу растворителя, а не на объём раствора. Моляльность, в отличие от молярной концентрации, не зависит от температуры.

Массовая концентрация (Титр)

Массовая концентрация — отношение массы растворённого вещества к объёму раствора. По рекомендации ИЮПАК, обозначается символом γ{\displaystyle \gamma } или ρ{\displaystyle \rho }^[8].

ρB=mBV{\displaystyle \rho _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{V}}}.

где:

• mB{\displaystyle m_{\mathrm {B} }} — масса растворённого вещества;
• V{\displaystyle V} — общий объём раствора;

В аналитической химии используется понятие титр по растворённому или по определяемому веществу (обозначается буквой T{\displaystyle T}).

Концентрация частиц

По рекомендациям ИЮПАК концентрация частиц обозначается буквой C{\displaystyle C}^[9], однако также часто встречается обозначение n{\displaystyle n} (не путать с количеством вещества).

CB=NBV=nB⋅NAV=cB⋅NA{\displaystyle C_{\mathrm {B} }={\frac {N_{\mathrm {B} }}{V}}={\frac {n_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }}{V}}=c_{\mathrm {B} }\cdot N_{\mathrm {A} }},

где:

Весообъёмные (массо-объёмные) проценты

Иногда встречается использование так называемых «весообъёмных процентов»^[10], которые соответствуют массовой концентрации вещества, где единица измерения г/(100 мл) заменена на процент. Этот способ выражения используют, например, в спектрофотометрии, если неизвестна молярная масса вещества или если неизвестен состав смеси, а также по традиции в фармакопейном анализе.^[11] Стоит отметить, что поскольку масса и объём имеют разные размерности, использование процентов для их соотношения формально некорректно. Также международное бюро мер и весов^[12] и ИЮПАК^[13] не рекомендуют добавлять дополнительные метки (например «% (m/m)» для обозначения массовой доли) к единицам измерения.

Другие способы выражения концентрации

Существуют и другие, распространённые в определённых областях знаний или технологиях, методы выражения концентрации. Например, при приготовлении растворов кислот в лабораторной практике часто указывают, сколько объёмных частей воды приходится на одну объёмную часть концентрированной кислоты (например, 1:3). Иногда используют также отношение масс (отношение массы растворённого вещества к массе растворителя) и отношение объёмов (аналогично, отношение объёма растворяемого вещества к объёму растворителя).

Применимость способов выражения концентрации растворов, их свойства

В связи с тем, что моляльность, массовая доля, мольная доля не включают в себя значения объёмов, концентрация таких растворов остаётся неизменной при изменении температуры. Молярность, объёмная доля, титр, нормальность изменяются при изменении температуры, так как при этом изменяется плотность растворов. Именно моляльность используется в формулах повышения температуры кипения и понижения температуры замерзания растворов.

Разные виды выражения концентрации растворов применяются в разных сферах деятельности, в соответствии с удобством применения и приготовления растворов заданных концентраций. Так, титр раствора удобен в аналитической химии для волюмометрии (титриметрического анализа) и т. п.

Формулы перехода от одних выражений концентраций к другим

В зависимости от выбранной формулы погрешность конвертации колеблется от нуля до некоторого знака после запятой.

От массовой доли к молярности

cB=ρ⋅ωBM(B){\displaystyle c_{\mathrm {B} }={\frac {\rho \cdot \omega _{\mathrm {B} }}{M(\mathrm {B} )}}},

где:

• cB{\displaystyle c_{\mathrm {B} }} — молярная концентрация вещества B
• ρ{\displaystyle \rho } — плотность раствора;
• ωB{\displaystyle \omega _{\mathrm {B} }} — массовая доля вещества B;
• M(B){\displaystyle M(\mathrm {B} )} — молярная масса вещества B.

Если плотность раствора выражена в г/мл, а молярная масса в г/моль, то для выражения ответа в моль/л выражение следует домножить на 1000 мл/л. Если массовая доля выражена в процентах, то выражение следует также разделить на 100 %.

От молярной концентрации к нормальной

c((1/z) B)=cB⋅z{\displaystyle {c((1/z)~\mathrm {B} )}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {z}},

где:

От массовой доли к титру

T=ρ⋅ω{\displaystyle {T}={\rho }\cdot {\omega }},

где:

• ρ{\displaystyle \rho } — плотность раствора, г/мл;
• ω{\displaystyle \omega } — массовая доля растворённого вещества, в долях от 1;

От молярности к титру

T=cB⋅M{\displaystyle {T}={c_{\mathrm {B} }}\cdot {M}},

где:

• cB{\displaystyle {c_{\mathrm {B} }}} — молярная концентрация;
• M{\displaystyle M} — молярная масса растворённого вещества.

Если молярная концентрация выражена в моль/л, а молярная масса — в г/моль, то для выражения ответа в г/мл его следует разделить на 1000 мл/л.

От моляльности к мольной доле

xB=mBmB+1M(A){\displaystyle x_{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {B} }+{\frac {1}{M(\mathrm {A} )}}}}},

где:

• mB{\displaystyle m_{\mathrm {B} }} — моляльность,
• M(A){\displaystyle M(\mathrm {A} )} — молярная масса растворителя.

Если моляльность выражена в моль/кг, а молярная масса растворителя в г/моль, то единицу в формуле следует представить как 1000 г/кг, чтобы слагаемые в знаменателе имели одинаковые единицы измерения.

Примечания

1. ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. concentration (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098. — DOI:10.1351/goldbook.C01222.
2. ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. fraction (англ.) // IUPAC Compendium of Chemical Terminology. — Research Triagle Park, NC: IUPAC. — ISBN 0967855098. — DOI:10.1351/goldbook.F02494.
3. ↑ IUPAC Gold Book internet edition: «concentration».
4. ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book — mass fraction, w (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения 11 декабря 2018.
5. ↑ ^{1 2} Z. Sobecka, W. Choiński, P. Majorek. Dictionary of Chemistry and Chemical Technology: In Six Languages: English / German / Spanish / French / Polish / Russian. — Elsevier, 2013-09-24. — С. 641. — 1334 с. — ISBN 9781483284439.
6. ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book — amount concentration, c (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения 11 декабря 2018.
7. ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book — amount fraction, x ( y for gaseous mixtures) (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения 11 декабря 2018.
8. ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book — mass concentration, γ, ρ (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения 16 декабря 2018.
9. ↑ International Union of Pure and Applied Chemistry. IUPAC Gold Book — number concentration, C,n (англ.). goldbook.iupac.org. Дата обращения 11 декабря 2018.
10. ↑ Способы приготовления растворов на МедКурс. Ru
11. ↑ Бернштейн И. Я., Каминский Ю. Л. Спектрофотометрический анализ в органической химии. — 2-е изд. — Ленинград: Химия, 1986. — с. 5
12. ↑ The International System of Units (SI) (неопр.). www.bipm.org. Дата обращения 23 декабря 2018.
13. ↑ Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (неопр.) (недоступная ссылка). www.iupac.org. Дата обращения 23 декабря 2018. Архивировано 20 декабря 2016 года.