Koncentration

Se ävenkoncentration (psykologi)samtkoncentrering.

Ett exempel på koncentrationen av ett färgämne, med mest utspädd till vänster och mest koncentrerad till höger.

Koncentrationanger hur stor mängd av ett ämne som finns per enhetsvolym i en blandning.

Mängden av ämnet är något av följande storheter: massa (vikt), ämnesmängd (antal mol), volym eller antal partiklar.

Vanligen rör det sig om en flytandelösning,ellervätska,men det är även möjligt att tala om koncentration för andraaggregationstillstånd.Koncentrationen är mängden av det ingående ämnet ifråga,divideradmed blandningens totala volym.

Koncentration är en egenskap som finns överallt i blandningen. Om blandningen är väl blandad så är koncentrationen lika hög överallt i blandningen. Det innebär bland annat att om man tar ut en representativ delmängd av blandningen så har delmängden alltid samma koncentration (sammansättning) som hela blandningen. Koncentration är enintensivstorhettill skillnad från extensiv storhet som är beroende av storleken eller utsträckningen.

Kvalitativ beskrivning av koncentration

Koncentration beskrivs ofta för lösningar i icke-teknisk litteratur som utspädd för svaga lösningar och koncentrerad för starka lösningar med högre koncentration. En lösning koncentreras om den kan lösa mer av det lösta ämnet (ämnena), alternativt att mängdenlösningsmedelminskas. Lösningsmedelsminskning sker om lösningsmedlet kan avdunsta alternativt kan frysas ut vid temperatursänkning. Koncentreringen sker dock högst till dess lösningen blirmättad.

Kvantitativa mått på koncentration

De fyra olika sätten att ange koncentration är som följer:

Masskoncentration$\rho _{i}$för ämnet i är definierad som ämnetsmassa$m_{i}$dividerad med blandningens volym$V$:

$\rho _{i}={\frac {m_{i}}{V}}$

Masskoncentration anges i enheter såsom g/dm³, kg/m³ med flera.

Molaritetär inom kemin det enskilt vanligaste sättet att kvantifiera en lösnings koncentration. Molaritet (c), är densubstansmängd(n) av ett ämne som finns pervolymenhetlösning (V). Molaritet beräknas därmed med formeln:

$c={\frac {n}{V}}$

Molaritet anges medmolperliter,eller mol/dm³. Enhetsbeteckningen molar bör undvikas eftersom den kan förväxlas med molar i annan betydelse.Enhetsbeteckningen M skall inte förväxlas med storhetsbeteckningen med samma bokstav förstorhetenmolmassa.Om molariteten av ett ämne X ärckan det anges som [X] =c.

För att ange koncentration som kan spänna över fleradekaderanges den ibland med sin negativalogaritmbetecknad med operatortecknet p såsom i uttrycket pH= -log {H⁺}.

Volymkoncentrationσ_iför ämnet i är definierad som kvoten mellan ämnetsvolym$V_{i}$dividerad med blandningens volym$V$:

$\sigma _{i}={\frac {V_{i}}{V}}$

Här ska ämnets volym$V_{i}$räknas innan blandningen sker medan totalvolymen$V$räknas efter att blandningen har skett. Det är inte alltid givet att totalvolymen är summan av de ingående komponenternas volym. Eftersom volymkoncentration är en volym delat med totalvolymen är resultatet dimensionslöst och kan då anges i procent. Detta är vanligt när samtliga ämnen i blandningen är gaser.

Systembolagetanger alkoholhalten ialkoholhaltiga dryckeri form av volymprocent.

Partikelkoncentrationavser ett visst partikelslag per enhetsvolym. När man vill beräkna koncentrationen av ett visst partikelslag, exempelvis koncentrationennatriumi en natriumkloridlösning används oftasthakparenteserrunt partikelslaget som avses.

Koncentration och aktivitet

Förideala lösningarkan jämviktsberäkningar ske med de ingående ämnenas koncentrationer. För verkliga lösningar används i stället ämnenasaktivitet.Under vissa omständigheter kan aktiviteten$a$beräknas ur koncentrationen$c$enligt: $a=fc$ där$f$är aktivitetsfaktorn. För starkt utspädda lösningar närmar sig aktivitetsfaktorn värdet 1.

Koncentrationen av ett kemiskt ämne ska inte blandas ihop med dess aktivitet. Det är ämnenas aktivitet och inte deras koncentrationer som styr den termodynamiska jämvikten i enkemisk reaktion.

Koncentrationen (molariteten) av ämnet X brukar betecknas [X] och aktiviteten brukar betecknas {X}.

Andra sätt att ange en blandnings sammansättning

Utöver koncentration finns det andra sätt att ange en blandnings sammansättning ellerämneshalt.Dessa andra sätt ska inte kallas koncentration. Det händer dock att begreppen inte hålls isär. Haltangivelse kallas ibland felaktigt för koncentration när den anges i molalitet (substansmängd permassaav lösningsmedlet), mol/massa,masshaltellermassprocent.Jämförvolymprocentochviktprocentföralkoholdrycker.Mellan år 1923 och år 1992angavs alkoholhalt för öl i form av viktprocent i svensk lagtext.

Fördelen att ange halt som koncentration är att det i vissa fall är enklare att mäta volymen än att väga blandningen. Summan av volymerna hos beståndsdelarna blir inte alltid densamma som blandningens volym, medan massan inte förändras.Vågarmed hög precision är dock vanligare än motsvarande volymmätare.

Molalitetär inom kemin ett sätt att kvantifiera en lösnings halt. Molalitet ($b_{i}$) är densubstansmängd($n_{i}$) av ett ämne som finns permassenhetav lösningsmedlet ($m_{j}$). Molalitet beräknas med formeln:

$b_{i}={\frac {n_{i}}{m_{j}}}$

Molaliteten ändras inte med ändrad temperatur.

Molbråkmed beteckningen x_iär andelen substansmängd av ett ämne n_ii en blandning dividerad med summan av alla ingående ämnens substansmängder:

$x_{i}={\frac {n_{i}}{n_{\mathrm {tot} }}}$

Molkvotmed beteckningen r_iär förhållandet mellan substansmängden av ett ämne n_ii en blandning och allaandraingående ämnens substansmängder:

$r_{i}={\frac {n_{i}}{n_{\mathrm {tot} }-n_{i}}}$

Är substansmängden n_iliten närmar sig molkvotens värde molbråkets värde.

Massbråkochmasskvotär analoga med molbråk respektive molkvot när substansmängderna (i mol) byts ut mot ingående ämnens massa (vikt). Massbråket är dimensionslöst och brukar ibland anges i procent. Uttryckenppm,ppbochpptbetyder parts per million, parts per billion och parts per trillion, det vill säga delar per miljon (10⁶) respektive miljard (10⁹) och biljon (10¹²). Beteckningen ppt har även använts för parts per thousand (tusendelar). Beteckningarna är korta och behändiga men säger inget om vad slags delar det är. Det måste deklareras separat för att inte missförstånd ska uppstå. I vattenlösningar avses vanligtvis viktdelar men för gasblandningar har volymdelar ofta en fördel. Gashalt i form av volymdelar ändras inte med temperatur och tryck för ideala gaser. Atmosfärens luft närmar sig enideal gas.

Ett prov om en liter vatten väger praktiskt taget 1 kg och ett analyssvar kan rapporteras som koncentration (per volym) eller som masshalt, ppm med flera enheter. Men havsvatten, serum eller mjölk har annan densitet än rent vatten så för noggranna bestämningar måste hänsyn tas till detta.

Karatär ett mått på masshalten ädelmetall i ädelmetallegeringar och anges i antal tjugofjärdedelar.Rött guldpå 18karathar masshalten 75%. Om resten, 25%, bara är koppar finns det en gnutta fler kopparatomer än guldatomer. Räknat som molbråk blir det cirka 0,492 för guld och 0,508 för koppar.

Karat ska inte förväxlas med viktenhetencaratsom används för smyckestenar och är 0,2 g.

Temperaturberoende

En blandnings koncentration$\sigma$ändras med ändrad temperatur huvudsakligen på grund avtermisk expansioneller kontraktion av blandningen. För en gasblandning som kan betraktas som ideal, gäller temperaturberoendet vid konstant tryck:

$\sigma _{2}=\sigma _{1}\cdot T_{1}/T_{2}$

Temperaturen$T$avser absolut temperatur i kelvin.

Viss koncentrationsändring kan även bero på att det sker temperaturberoende kemiska reaktioner vid temperaturändring. Ett exempel är att vattnets dissociation till [H⁺] och [OH^-] ökar med ökad temperatur. Vid 100 °C är pH 6,14 för rent vatten. Observera att detta vatten är neutralt, inte surt.

Är halten angiven som massa_i/massa_tot(eller på liknande sätt per massa) ändras inte haltvärdet med temperaturen.

Exempel

Här nedanför följer några exempel påstökiometriskauträkningar med begreppet koncentration:

Vi har 0,025molnatriumkloridlöst i 0,250liter(dm³) vatten. Med informationen vi har kan man med hjälp av sambandet$c={\frac {n}{V}}$beräknasaltetskoncentration (molaritet). Svaret blir 0,100 M.

$n_{NaCl}=0,025{\mbox{ mol}}$

$V_{NaCl}=0,250{\mbox{ dm}}^{3}$

$c_{NaCl}={\frac {n_{NaCl}}{V_{NaCl}}}={\frac {0,025{\mbox{ mol}}}{0,250{\mbox{ dm}}^{3}}}=0,100{\mbox{ M}}$

Man kan omvänt räkna ut substansmängden om man känner till koncentrationen och volymen. Med den informationen kan man med hjälp av sambandet ovan beräkna substansmängden (n) imol.Svaret blir 0,025 mol.

$c_{NaCl}=0,100{\mbox{ M}}$

$V_{NaCl}=0,250{\mbox{ dm}}^{3}$

$n_{NaCl}=c_{NaCl}\times V_{NaCl}=0,100{\mbox{ M}}\times 0,250{\mbox{ dm}}^{3}=0,025{\mbox{ mol}}$

Koncentration av visst partikelslag

I exemplet nedan är koncentrationen av natrium den samma som natriumklorid då enformelenhetav NaCl ger en Na⁺-jon och enCl^--jon.

$\left[Na^{+}\right]=c_{NaCl}=0,100{\mbox{ M}}$

$\left[Cl^{-}\right]=c_{NaCl}=0,100{\mbox{ M}}$

I salter med olika proportioner mellan atomslagen, blir beräkningen av koncentrationerna något annorlunda. Här nedan syns ett exempel gällande saltetbariumklorid.Förklaringen varför man får dubbelt så hög koncentration av kloridjoner är för att en formelenhet BaCl₂ger en Ba²⁺-jon och två Cl^--joner.

$c_{BaCl_{2}}=0,900{\mbox{ M}}$

$\left[Ba^{2+}\right]=c_{BaCl_{2}}=0,900{\mbox{ M}}$

$\left[Cl^{-}\right]=2\times c_{BaCl_{2}}=1,800{\mbox{ M}}$

En praktisk aspekt är att bariumklorid ärhygroskopiskt(tar upp vatten från atmosfären). För beredning av en bariumkloridlösning det är lämpligare att utgå från bariumkloridihydrat, BaCl₂·2(H₂.O). Man behöver därför väga upp 17,3 % mer (244,24/208,27) än den mängd som beräknats som BaCl₂.

Exempel på kontraktion när två vätskor blandas

Om man blandar 15 gram alkohol med 85 gram vatten så får man en blandning där halten alkohol är exakt 15% (viktprocent). I exemplet jämförs alkoholens vikt med blandningens vikt. Skall i stället koncentrationen anges, måste man ta hänsyn till att blandningens volym kan avvika från summan av utgångsvolymerna. När alkohol (underförståttetanol) blandas med vatten sker en kontraktion. Femton gram etanol av temperaturen 20 °C har volymen 19,0 ml och vattnet har 85,15 ml. När de blandas blir volymen 102,5 ml (inte 104,2 ml). Alkoholkoncentrationen blir 18,53 % (vol/vol).

Sätt att mäta koncentration och halt, några exempel

Absorbans.Tiologaritmenför kvoten mellan inkommande ljus och utgående ljus är direkt proportionell mot koncentration och längd i absorberande medium. Absorbansmätning kan tillämpas på färgade blandningar och görs vanligtvis för ett valt våglängdsområde.

Vridning av planpolariserat ljus.I enpolarimetermätsoptisk rotationhos lösningar avkirala(bland annat stereoisomerer) substanser. Vridningen är direkt proportionell mot koncentration och strållängd i mediet. Polarimeter används bland annat för bestämning av sockerarters koncentration isirap.

Brytningsindex.Med enrefraktometerkan en vätskeblandnings brytningsindex bestämmas. Instrumentet kan vara graderat i brytningsindex eller med skala specifikt för ändamålet (alkoholkoncentration men också sockerhalt, salthalt, vattenhalt, glykolhalt). Det finns refraktometrar med automatisk temperaturkorrektion eftersom brytningsindex i vätskor är temperaturberoende.

Densitetkan relateras till koncentration och kan bestämmas för vätska på flera olika sätt, exempelvis medhydrometer(även kallad areometer). Vätskors densitet är temperaturberoende men även beroende av vilka de lösta ämnena är och deras koncentration. Med en våg och termostateradpyknometerkan densiteten bestämmas noggrant och därmed även ett ämnes koncentration (alternativt redovisad resultatet som halt).

En vattenlösningsElektriska konduktivitetökar ju högrejonkoncentrationenav salt, syra eller bas är. Ökningen är inte linjär men ämnesspecifik.

Fryspunktssänkningochkokpunktshöjningär direkt proportionell mot molaliteten och kan därför användas för att bestämma ett ämnesmolmassa.