Лабораторна 1. Величини та константи в геохімії. Конвертація величин. Методи встановлення хімічного складу. Розрахунок концентрацій хімічних елементів в геологічних середовищах. Статистичні методи обробки геохімічних масивів даних.

Одиниця вимірювання – фізична величина певного розміру, прийнята для кількісного відображення однорідних з нею величин.

Розрізняють основні одиниці вимірювання, які визначаються за допомогою еталонів, і похідні одиниці, що визначаються за допомогою основних. Вибір величини і кількості основні одиниць вимірювання може бути довільним і визначається тільки традиціями або угодами. Існує велика кількість різних систем одиниць вимірювання, які розрізняються вибором основних одиниць вимірювання.

1. Одиниці в геохімії та їх співвідношення між собою:

Перед розглядом одиниць вимірювання в геохімії слід розглянути умови зовнішнього середовища до яких призводять всі розрахунки і в яких відбуваються основні експериментальні заміри. Такими зовнішніми умовами середовища вважають Нормальні та Стандартні умови.

Нормальні умови (н.у., англ. Standard Temperature and Pressure, STP) – фізичні умови зовнішнього середовища, з якими переважно порівнюють властивості речовин. Нормальні умови визначені IUPAC (Міжнародною спілкою практичної і прикладної хімії) наступним чином:

• Атмосферний тиск P = 101325 Па = 760 мм рт. ст.

• Температура повітря T = 273,15 K = 0° C.

При нормальних умовах об’єм 1 моля ідеального газу складає 22,413 996(39) дм³ (згідно із законом Авогадро), а кількість молекул в 1 см³ складає 2,6867774(47)10¹⁹ (стала Гольшмідта).

Стандартні умови (с.у., англ. Standard Ambient Temperature and Pressure, SATP):

• Тиск P = 1 Бар = 105 Па = 750,06 мм рт. ст.;

• Температура T = 298,15 К = 25 °С.

При цих умовах константа дисоціації дистильованої води складає 10^-14.

1.1. Одиниці концентрації.

Концентрація часток – фізична величина, що дорівнює відношенню кількості часток N до об’єму V, в якому вони знаходяться:

, де:

Одиниця в системі СІ [n] = 1 / m³.

Масова частка (відсоткова концентрація) – відношення маси розчиненої речовини до маси розчину. Масова частка вимірюється в частках одиниці.

W= або , де:

m_i – маса розчиненої речовини, г (кг); m_i – загальна маса розчину, г (кг).

Об’ємна частка – відношення об’єму розчиненої речовини до об’єму розчину. Об’ємна частка вимірюється в частках одиниці або в процентах.

W_об.= або W_об.%= , де:

V_i – об’єм розчиненої речовини, л; V_i – загальний об’єм розчину, л.

Мольна (молярна) частка – відношення кількості моль даного компоненту до загальної кількості моль всіх компонентів. Мольну частку виражають в частках одиниці.

X_i= , де:

ν_i – кількість i-го компоненту, моль; v_i – сума кількостей всіх компонентів, моль;

Молярність (молярна об’ємна концентрація) – кількість моль розчиненої речовини в одиниці об’єму розчину. Молярна концентрація в системі СІ визначається в моль/м³, однак на практиці її частіше виражають в моль/л, чи ммоль/л.

M= , де:

ν – кількість моль розчиненої речовини; V – загальний об’єм розчину.

Моляльність (молярна вагова концентрація) – кількість розчиненої речовини (в молях) в 1 кг розчинника. Визначається в моль/кг.

m= , де:

ν – кількість розчиненої речовини, моль; m_р-ка – маса розчинника, кг.

Моляльність, на відміну від молярної концентрації, не залежить від температури, саме тому при термодинамічних розрахунках користуються моляльністю.

Нормальна концентрація (нормальність) – кількість еквівалента даної речовини в 1 л розчину. Нормальну концентрацію виражають в моль-екв/л або г-екв/л.

N= , де:

ν – кількість розчиненої речовини, моль; V – загальний об’єм розчину, л; f – фактор еквівалентності.

Нормальна концентрація може відрізнятись в залежності від реакції, в якій бере участь речовина. Наприклад, одномолярний розчин H₂SO₄ буде однонормальним, якщо він бере участь в реакції з лугом з утворенням гідросульфату HSO₄^-, и двонормальним в реакції з утворенням SO₄^2-.

Титр розчину – маса розчиненої речовини в 1 мл розчину.

T= , де:

m_i – маса розчиненої речовини, г; V – загальний об’єм розчину, мл;

Інші одиниці для вираження концентрацій. Існують також інші, поширені в певних галузях науки, методи вираження концентрацій. Для прикладу, важливими одиницями для геологів та екологів при встановленні вмісту рідкіснометальних елементів на родовищах чи забруднення в повітрі є частка на мільйон (ppm) і частка на мільярд (ppb).

Частка на мільйон (ppm, англ. - Parts per million) – одиниця виміру концентрації, яка аналогічна по змісту відсотковій концентрації і являє собою мільйонну частку. Частку на мільйон (ppm) виражають у г/т, рідше у мг/кг.

1ppm = 0,0001% або 10^-6.

Частка на мільярд (ppb, англ. Parts per billion) – одиниця виміру концентрації, яка аналогічна по змісту до ppm та відсоткової концентрації і являє собою мільярдну частку. Частку на мільярд (ppb) виражають у мг/т, г/1000т, рідше мкг/кг.

1ppb = 0,0001ppm = 0,0000001% = 10^-9.

У фотометрії часто використовують масову концентрацію, яка дорівнює масі розчиненої речовини в 1 л розчину. При приготуванні розчинів кислот часто вказують скільки об’ємних часток води припадає на одну об’ємну частку концентрованої кислоти (наприклад, 1:3, 2:5, 3:10, та ін.). Іноді використовують також відношення мас (відношення маси розчиненої речовини до маси розчинника) і відношення об’ємів.