Koncentracija

U kemiji, „koncentracija“ je definirana kao udio otopljene tvari podijeljen s volumenom otopine. Štoviše, u kemiji se mogu razlučiti četiti vrste koncentracije: masena koncentracija, molarna koncentracija, brojčana koncentracija i volumna koncentracija. Izraz koncentracija može se primijeniti u bilo kojoj vrsti kemijske smjese, no najčešće se primijenjuje na otopljene tvari u otopinama.

Kvalitativan opis

Ove čaše sa crvenom bojom prikazuju kvalitativne promjene u koncentraciji. Otopine na lijevoj strani su manje koncentrirane, dok su one na desnoj strani više koncentrirane.

Često se koncentracija opisuje na kvalitativan način, upotrebom pridjeva kao što su „razrijeđene“ za otopine male koncentracije ili „koncentrirane“ za otopine relativno visoke koncentracije. Kako bi se otopina „koncentrirala“, potrebno je unijeti više otapala (npr. etanola) ili smanjiti količinu otopljene tvari (npr. vode). Osim ako se te dvije stvari potpuno miješaju, postoji koncentracija iznad koje se otopljene tvari neće otapati. Tada se kaže da je otopina zasićena. Ako se dodaje još otopljene tvari, neće se raspasti, osim u nekim slučajevima kad dolazi do prezasićenosti. Zasićenost ovisi o mnogo varijabli kao što su temperatura okoline i kemijskoj prirodi otapala i otopljene tvari.

Kvantitativno obilježavanje

Postoje četiri načina izražavanja koncentracije:

Masena koncentracija

Masena koncentracija $\gamma$ se definira kao omjer mase otopljene tvari $m_{B}$ i volumena otopine $V$:

$\gamma ={\frac {m_{B}}{V}}$

Može se definirati i kao umnožak masenog udjela $w_{B}$ i gustoće otopine $\rho$:

$\gamma =w_{B}\times \rho$

Te kao umnožak množinske koncentracije $c_{B}$ i molarne mase tvari $M_{B}$:

$\gamma =c_{B}\times M_{B}$

Mjerna jedinica u SI sustavu je kg m^-3, iako se u kemijskoj praksi najčešće koristi g dm^-3

Gustoća otopine $\rho$ treba se razlikovati od masene koncentracije, jer se u masenoj koncentraciji dijeli masa otopljene tvari s volumenom, a u gustoći masa cijele otopine s volumenom.

$\rho _{otopina}={\frac {m_{otopina}}{V_{otopina}}}$

Molarna (množinska) koncentracija

Molarna (množinska) koncentracija $c$ je omjer množine otopljene tvari $n_{B}$ i volumena otopine $V$:

$c={\frac {n_{B}}{V}}$

Formula koja povezuje množinsku koncentraciju tvari $c_{B}$, maseni udio tvari $w_{B}$, gustoću otopine $\rho$ i molarnu masu tvari $M_{B}$ glasi:

$c_{B}={\frac {w_{B}\times \rho }{M_{B}}}$

Mjerna jedinica u SI sustavu je mol m^-3. Međutim, češće se koristi mol/L (= mol dm^-3).

Brojčana (brojevna) koncentracija

Brojčana (brojevna) koncentracija $C$ je omjer broja otopljene tvari $N_{B}$ i volumena otopine $V$:

$C={\frac {N_{B}}{V}}$

Mjerna jedinica u SI sustavu je 1/m³.

Volumna koncentracija

Volumna koncentracija $\phi$ je omjer volumena otopljene tvari $V_{B}$ i volumena otopine $V$ prije miješanja:

$\phi ={\frac {V_{B}}{V}}$

Jedinica u SI sustavu je m³/m³.

Povezane kvantitete

Još nekoliko kvantiteta može opisivati sastav smjese. One se ne bi trebale zvati koncentracijama.

Normalnost

Normalnost je definirana kao molarna koncentracija $c$ podijeljena s faktorom ekvivalentnosti $f_{eq}$. Otkad definicija faktora ekvivalentnosti možda nije nepristrana, IUPAC i NIST ne preporučaju korištenje normalnosti.

Molalnost

(Ne miješati s molarnost)

Molalnost (molalitet) otopine $b$ definirana je kao omjer otopljene tvari $n_{B}$ i mase otapala $m_{A}$ (ne mase otopine):

$b={\frac {n_{B}}{m_{A}}}$

Mjerna jedinica u SI sustavu je mol/kg.

Množinski udio

Množinski udio $x_{B}$ definira se kao množina tvari $n_{B}$ podijeljena s ukupnom množinom svih tvari u smjesi $n_{uk}$:

$n_{uk}=n_{A}+n_{B}$

$x_{B}={\frac {n_{B}}{n_{A}+n_{B}}}$

Jedinica u SI sustavu je mol/mol. Međutim, za male molarne udjele češće se koristi obilježavanje „partes per“ (lat. dijelova po). (eng. parts per hundred = posto, parts per thousand = promil)

Molarni omjer

Molarni omjer $r$ definira se kao množina tvari $n_{B}$ podijeljena s ukupnom količinom svih ostalih tvari u smjesi:

$r={\frac {n_{B}}{n_{uk}-n_{B}}}$

Ako je $n_{B}$ mnogo manji od $n_{uk}$, onda je molarni omjer gotovo identičan množinskom udjelu.

Jedinica u SI sustavu je mol/mol. Međutim, za male molarne omjere češće se koristi obilježavanje „parts per“ (dijelova po).

Maseni udio

Maseni udio $w_{B}$ je omjer mase otopljene tvari $m_{B}$ i mase otopine (koja je zbroj mase otopljene tvari i mase otapala) $m_{uk}$, to jest:

$w_{B}={\frac {m_{B}}{m_{A}+m_{B}}}$

Za izračunavanje masenog udjela sastojka $A$ u smjesi $A_{2}B_{3}$, formula glasi:

$w(A,A_{2}B_{3})={\frac {2\times Ar(A)}{Mr(A_{2}B_{3})}}$

U kojoj $Ar$ označava relativnu atomsku masu elementa, a $Mr$ relativnu molekulsku masu spoja.

Jedinica u SI sustavu je kg/kg. Međutim, za male masene udjele češće se koristi obilježavanje „parts per“ (dijelova po, per cent = po sto, ili u obliku po tisuću).

Maseni omjer

Maseni omjer $\zeta _{B}$ je definiran kao masa otopljene tvari $m_{B}$ podijeljena s ukupnom masom svih drugih tvari u smjesi:

$\zeta _{B}={\frac {m_{B}}{m_{uk}-m_{B}}}$

Jedinica u SI sustavu je kg/kg. Međutim, za male masene omjere češće se koristi obilježavanje „parts per“ (dijelova po).

Ovisnost o volumenu

Koncentracija ovisi o promjeni volumena otopine najviše zbog termalnog širenja.

Tablica koncentracija i povezanih količina

Vrsta koncentracije	Simbol	Definicija	Jedinica u SI sustavu	druga/e jedinica/e
masena koncentracija	$\gamma$	$m_{B}/V$	kg/m3	g/100mL (=g/dL)
molarna koncentracija	$c$	$n_{B}/V$	mol/m3	M (=mol/L)
brojčana koncentracija	$C$	$N_{B}/V$	1/m3	1/cm3
volumna koncentracija	$\phi$	$V_{B}/V$	m3/m3
Povezane količine	Simbol	Definicija	Jedinica u SI sustavu	druga/e jedinica/e
normalnost		$c/f_{eq}$	mol/m3	N (=mol/L)
molalnost	$b$	$n_{B}/m_{otapala}$	mol/kg
molarni udio	$x_{B}$	$n_{B}/n_{uk}$	mol/mol	ppm, ppb, ppt
molarni omjer	$r$	$n_{B}/(n_{uk}-n_{B})$	mol/mol	ppm, ppb, ppt
maseni udio	$w_{B}$	$m_{B}/m_{uk}$	kg/kg	ppm, ppb, ppt
maseni omjer	$\zeta$	$m_{B}/(m_{uk}-m_{B})$	kg/kg	ppm, ppb, ppt

Izvori

• Kemija 2, Pavlović, G., Kovačević, Lj., ALFA d.d., Zagreb, 2010.