Концентрация компонента в жидком и газообразном веществе

Для количественной характеристики содержания компонента А в жидком и газообразном веществе введено понятие концентрации компонента А.

Концентрация компонента А (С(А)) – величина, характеризующая относительное содержание данного компонента в многокомпонентном веществе и определяется как отношение количества частиц компонента А (молярная концентрация компонента А, молярная концентрация эквивалента компонента А) или массы компонента А (массовая концентрация компонента А), отнесенная к определённому объёму жидкого или газообразного вещества.

Основной единицей измерения количества частиц компонента (n) в Международной системе единиц физических величин (система СИ), принятой к применению в СССР в 1984 году, является 1 моль. 1 моль частиц любого компонента, представляющий для нас интерес в виде электрона, протона, элемента (атома), изотопа, функциональной группы, в том числе иона, или молекулы, содержит 6,02210²³ таких структурных единиц в каком-либо объёме или массе вещества. Тысячная часть 1 моль (дольная единица, приставка милли-) обозначается ммоль.

Количество частиц компонента А (n(А)) в какой-либо массе этого компонента (m(А)) можно рассчитать по формуле:

n(А) = m(А)/М(А), моль,

где m(А) – масса компонента А, г;

М(А) – относительная молярная масса компонента А, г/моль;

В системе СИ основные наименования концентрации компонентов в объёме жидкого или газообразного вещества – это молярная концентрация компонента, моль/м³, и массовая концентрация компонента, кг/м³ [ГОСТ 8.417-2002 ГСИ. Единицы величин].

Молярная концентрация компонента А в растворе – С_м(А) – это содержание количества частиц компонента А, n(А), в единице объема V жидкого или газообразного вещества, рассчитывается как:

С_м(А) = n(А)/V; или С_м(А) = m(А)/[М(А)V]

Молярная концентрация компонента измеряется в моль/м³; используются и дольные единицы – моль/дм³, ммоль/дм³ и т. д.. Пример формы записи С_м(HSO₄) = 0,1 моль/дм³ = 0.1 ммоль/см³. Для внутрилабораторного использования допускается единица моль/л. В сопроводительных документах на предприятиях используют единицы измерения молярной концентрации в системе СИ.

Как в аналитической практике, так и в различных сферах профессиональной деятельности используют концентрацию, выраженную в массовых единицах.

Массовая концентрация компонента А – это содержание массы m(А) компонента А в единице объема V жидкого или газообразного вещества, рассчитывается как:

С_m(А) = m(А)/V_.,

Массовая концентрация компонента измеряется в кг/м³; используются и дольные единицы – г/м³, г/дм³, мг/дм³ и т. д.. Пример формы записи С_m(NaCl) = 0,1 г/дм³. Для внутрилабораторного использования допускается единица г/л, г/мл. В сопроводительных документах на предприятиях используют единицы измерения массовой концентрации в системе СИ.

Зная массовую концентрацию компонента А, С_m(А), г/дм³, в растворе, можно вычислить его молярную концентрацию (моль/дм³), и наоборот: С_м(А) = С_m(А)/М(А).

Измерение концентрации – специфический вид измерений в метрологии

Согласно «ГОСТ 8.417-2002 ГСИ. Единицы величин», концентрация относится к производным физическим величинам и характеризует, как следует из её определения, относительное содержание любого конкретного компонента, находящегося в веществе объекта анализа.

Количественный химический анализ представляет собой весьма специфический вид измерений. Для обеспечения единства таких измерений используются способы и приемы, не применяемые вовсе или применяемые крайне редко при измерении других физических величин.

Концентрация как физическая величина имеет существенные особенности, отличающие её от других физических величин:

1. Концентрация имеет целый ряд единиц и все они относится к производным единицам системы СИ, в то время как у остальных физических величин только одна является единицей системы СИ, а остальные относятся к внесистемным. Например, для длины только метр является единицей системы СИ, дюйм, фут, миля – неметрические единицы, а ангстрем, световой год, парсек – внесистемные.

Концентрация может быть как размерной, так и безразмерной величиной, что не противоречит правилам метрологии. Отличие концентрации компонента от других безразмерных физических величин состоит только в том, что у нее есть ряд подобных отношений. Например, отношения масс, объемов, числа частиц. Известны и применяются следующие единицы концентрации компонента:

• молярная концентрация компонента, моль/дм³, ммоль/дм³;

• массовая концентрация компонента, мг/дм³, мг/л, г/м³ и т. д.;

• молярная доля компонента; б/р

• массовая доля компонента, %.

• объёмная доля компонента, %.

2. Концентрация всегда является именованной величиной, она имеет смысл для конкретного компонента. Указанная особенность имеет важные последствия для решения проблемы обеспечения единства измерений концентрации компонента: в отличие от других физических величин для концентрации компонента не представляется возможным создание эталона ни для одной из ее единиц.

Признаки отнесения средства измерения к эталону:

-- метрологическая сущность – это средство измерения, от которого возможно передать размер единицы практически всем рабочим средствам измерений данной физической величины;

-- метрологическая функция – это средство измерения, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины;

-- метрологические характеристики – это средство измерения, характеризующееся наивысшей точностью по сравнению со всеми рабочими средствами измерений данной физической величины;

-- юридический статус – это средство измерения, официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

При создании эталона концентрации, даже если будут выполнены первые два требования, он будет воспроизводить не единицу абстрактной концентрации, а единицу концентрации какого-то конкретного компонента в совершенно конкретном веществе. Возможность передачи размера единицы концентрации от данного компонента к другому будет ограничена не только диапазоном ее значений, хотя и это имеет существенное значение, но и влиянием качественного и количественного химического состава матрицы. Учитывая самый разнообразный характер анализируемых веществ не только по агрегатному состоянию, но и по основным химическим свойствам (органические, неорганические вещества), легко понять, что такой эталон не обеспечит передачу размера единиц концентрации всем рабочим средствам измерений, охватывающим все многообразие химических веществ. Рассчитать минимальное число таких эталонов не представляется возможным, да в этом и нет необходимости, так как при значительном их количестве нарушается сам принцип централизованного воспроизведения и передачи размера единиц, основанный на единственном эталоне, возглавляющем соответствующую поверочную схему.

3. Экспериментально недостижимо состояние вещества, обозначаемое как абсолютно чистое. Следствием этого является тот факт, что все вещества, как природные, так и синтезированные, несмотря на глубокую их очистку, всегда будут содержать некоторое количество примесей. Таким образом, степень чистоты вещества, определяемая долей основного компонента в нем, по мере очистки будет стремиться к единице, но никогда не сможет стать ей равной. Это обстоятельство также накладывает свои ограничения на выбор способов воспроизведения и передачи размеров единиц концентрации от эталона рабочему средству измерения.