Koncentráció

A koncentráció az összetételi arány egyfajta kifejezése: mennyiség, amely kifejezi valamely elegy, keverék vagy oldat egyik komponensének a térfogatra vonatkoztatott összetételét. Ennek értelmében jelenthet tömegkoncentrációt, anyagmennyiség-koncentrációt, térfogati koncentrációt, illetve részecskeszám-koncentrációt.

A meghatározás az elegy teljes térfogatára vonatkozik. Csupán az oldószer térfogatára vonatkoztatva az így nyert hányados már nem felel meg a koncentráció fenti meghatározásának.

Ha az elegy több komponensből áll, mindig kiemeljük közülük a számunkra lényegeset. Ez az értékes komponens. Ennek mennyisége kerül a tört számlálójába.

A szó a latin com (együtt, össze) és a görög kentron (κέντρον = középpont) → latin centrum összevonásából származik.

A szakmai gyakorlatban használt mennyiségek

Az összetételi arány mérésére szolgáló fizikai mennyiségek nem csak a kémiában használatosak. Alkalmazásuknál érdemes figyelembe venni, hogy

• a koncentráció szó csak azokra a mennyiségekre használható, amelyek nevezőjében az egész elegy térfogata szerepel

• a mértékegység jelének nem szabad a fizikai mennyiségre utaló, vagy bármilyen egyéb jelet tartalmaznia. Éppígy; a fizikai mennyiség jele viszont nem tartalmazhat utalást a mértékegységre. Ezért az alábbiakban szereplő százalékjelek használata is elavult.

Magyarázata angol nyelven: NIST Guide to the SI dokumentum 7.10.2 fejezete.

A koncentráció fajtái

A koncentráció olyan elnevezés, amelyet sok esetben még komoly szakirodalmi források is tévesen használnak, gyűjtőfogalomként. Ebben az értelemben a koncentráció „összetételi arány valamilyen közelebbről meg nem határozott mértékegységben”. Ezek közül csak a bevezetőben említett négy mennyiség nevezhető koncentrációnak.

Tömegkoncentráció

Jele: ρ vagy γ, mértékegysége: kg/m³ vagy g/dm³ (utóbbi nem szabványos, de használatban van).

Egy dm³ oldatban (V) lévő oldott anyag grammokban kifejezett tömege (m_B). A tömegkoncentráció definíciója az IUPAC megfogalmazásában: egy adott összetevő tömege elosztva az elegy térfogatával.

$\rho _{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{V}}$

Anyagmennyiség-koncentráció

Nevezik még molaritásnak vagy moláris koncentrációnak is. Jele: c, mértékegysége: mol/dm³.

Egy dm³ oldatban (V) lévő oldott anyag mólokban kifejezett kémiai anyagmennyisége (n_B). Az anyagmennyiség-koncentráció definíciója az IUPAC megfogalmazásában: egy adott összetevő anyagmennyisége elosztva az elegy térfogatával.

$c_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{V}}={\frac {m_{\mathrm {B} }/M_{\mathrm {B} }}{V}}$

Az IUPAC egyenértékűnek tekinti a molaritást az anyagmennyiség-koncentrációval, és (lábjegyzetben) jóváhagyja a mol/dm³ mértékegységet. Ez nem koherens SI-mértékegység; gyakorlatilag prefixumos mértékegységnek tekinthető. A molaritás annak kifejezése, hogy hányszor nagyobb, vagy hányszor kisebb az oldat összetétele, mint az 1 mol/dm³. Ugyancsak lábjegyzetben jóváhagyja a következő jelölést: 1 M

Részecskeszám-koncentráció

Jele: C, mértékegysége: 1/m³.

Az oldott anyag részecskeszámának (N_B) és az oldat térfogatának (V) hányadosa. A részecskeszám-koncentráció definíciója az IUPAC megfogalmazásában: az elegyben lévő összetevő részecskéinek száma elosztva az elegy térfogatával.

$c_{\mathrm {B} }={\frac {N_{\mathrm {B} }}{V}}$

Térfogati koncentráció

Jele: σ, mértékegysége: 1.

Az oldott anyag térfogatának (V_B) és az oldat térfogatának (V) hányadosa.

$\sigma _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{V}}$

Kapcsolódó kifejezések

Molalitás

Nevezik még molális koncentrációnak vagy Raoult-koncentrációnak is, de ezek helytelen elnevezések, ugyanis a molalitás nem felel meg a koncentráció meghatározásának. Jele: m, mértékegysége: mol/kg.

Egy kg oldószerben (m_A) lévő, M_B moláris tömegű oldott anyag mólokban kifejezett kémiai anyagmennyisége (n_B). A molalitás definíciója az IUPAC megfogalmazásában: az oldott anyag anyagmennyisége elosztva az oldószer tömegével.

$m_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }}}$ = ${\frac {m_{\mathrm {B} }/M_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }}}$

Tömegtört

Jele: w, mértékegysége: 1.

A tömegtört az oldott anyag tömegének (m_B) és az oldat tömegének (m) hányadosa. A tömegtört definíciója az IUPAC megfogalmazásában: egy adott összetevő tömege elosztva az elegyben lévő összes összetevő együttes tömegével.

$w_{\mathrm {B} }={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m}}$

A tömegtört SI-mértékegysége 1. Ha osztó, vagy szorzó mennyiségeket kell jelölni, használható a kg/kg, g/kg, μg/kg stb.

Anyagmennyiség-tört

Régebbi elnevezése móltört. Jele: x (gázkeverékeknél y), mértékegysége: 1.

Az oldott anyag mólokban kifejezett kémiai anyagmennyisége (n_B) hányad része az oldatban lévő, mólokban kifejezett összes kémiai anyagmennyiségnek (n_A+n_B). Az anyagmennyiség-tört definíciója az IUPAC megfogalmazásában: egy adott összetevő anyagmennyisége elosztva az elegyben lévő összes összetevő együttes anyagmennyiségével.

$x_{\mathrm {B} }={\frac {n_{\mathrm {B} }}{n_{\mathrm {A} }+n_{\mathrm {B} }}}={\frac {m_{\mathrm {B} }/M_{\mathrm {B} }}{m_{\mathrm {A} }/M_{\mathrm {A} }+m_{\mathrm {B} }/M_{\mathrm {B} }}}$

továbbá: $x_{\mathrm {B} }+x_{\mathrm {A} }=1\$

Térfogattört

Jele: Φ, mértékegysége: 1.

Az oldott anyag térfogatának (V_B) és az oldatot alkotó összetevők kiindulási térfogatának (∑V₀) hányadosa. A térfogattört definíciója az IUPAC megfogalmazásában: az elegyben lévő adott összetevő térfogata elosztva az összetevők elegyedés előtti, együttes térfogatával.

$\phi _{\mathrm {B} }={\frac {V_{\mathrm {B} }}{\sum V_{\mathrm {0} }}}$

Anyagmennyiség-százalék

Régebbi elnevezése mólszázalék. Jele: %(n/n) vagy (n/n%) (nem szabványos jelek).

100 mol oldatban (n) lévő oldott anyag (n_B) mólban kifejezett anyagmennyisége.

$\%(n/n)={\frac {n_{\mathrm {B} }}{n}}\cdot 100\%$

Értéke megegyezik az anyagmennyiség-tört (x_B) százszorosával:

$\%(n/n)=x_{\mathrm {B} }\cdot 100\%$

Tömegszázalék

Jele: %(m/m) vagy (m/m%) (nem szabványos jelek).

100 g oldatban (m) lévő oldott anyag grammokban kifejezett tömege (m_B):

$\%(m/m)={\frac {m_{\mathrm {B} }}{m}}\cdot 100\%$

Értéke megegyezik a tömegtört (w_B) százszorosával:

$\%(m/m)=w_{\mathrm {B} }\cdot 100\%$

Térfogatszázalék

Jele: %(V/V) vagy V/V% (nem szabványos jelek).

100 cm³ oldatban (V) lévő, oldott anyag térfogata (V_B):

$\%(V/V)={\frac {V_{\mathrm {B} }}{V}}\cdot 100\%$

Megjegyzés: a térfogati dilatáció/kontrakció jelensége miatt folyadékelegyek esetén a térfogatok nem összeadhatók, az oldat térfogata nem egyenlő A és B komponens térfogatának összegével. Emiatt a térfogatszázalékot leginkább gázelegyek esetében van értelme használni.

Vegyesszázalék

Jele: %(m/V) vagy (m/V%) (nem szabványos jelek).

100 cm³ oldatban (V) lévő, oldott anyag grammban mért tömegét (m_B) adja meg.

$\%(m/V)={\frac {m_{\mathrm {B} }}{V}}\cdot 100\%$

További kifejezések

A nagyon kis koncentrációk megadására – a százalékos koncentráció értelmezéséhez hasonlóan – további koncentráció-kifejezések használhatók, pl. ezrelék, milliomod rész, billiomod rész stb. A mértékegységeknél SI-prefixumokat adhatók meg. Ezek használatosak a tömegarány, az anyagmennyiség-arány, a részecskeszám-arány, valamint a térfogatarány esetén is.

Az alábbiakra angol nyelvű magyarázat található a NIST Guide to SI dokumentum „7.10.3 ppm, ppb, ppt” című fejezetében. Ennek értelmében ezek használata kerülendő. Magyarázata a Wikipédiában a Rövid és hosszú skála című szócikkben található.

Az ezrelék (perthousand, jele ‰) megadja a rendszer ezer (10³) egységében (tehát tömeg-, vagy térfogat-, vagy pedig anyagmennyiség-egységében (részecskeszámban, db.)) az illető komponens mennyiségét ugyanazon egységben. A definíciónak megfelelő használatos mértékegységek: mg/g, g/kg, kg/t; cm³/dm³, dm³/m³; mmol/mol.

A ppm (parts per million) megadja a rendszer millió (10⁶) egységében (tehát tömeg-, vagy térfogat-, vagy pedig anyagmennyiség-egységében (részecskeszámban, db.)) az illető komponens mennyiségét ugyanazon egységben. A definíciónak megfelelő használatos mértékegységek: μg/g, mg/kg, g/t; cm³/m³; μmol/mol.

Az USA-ban meghonosodott elnevezések

A ppb (parts per billion) megadja a rendszer milliárd (10⁹) egységében (tehát tömeg-, vagy térfogat-, vagy pedig anyagmennyiség-egységében (részecskeszámban, db.)) az illető komponens mennyiségét ugyanazon egységben.

A definíciónak megfelelő használatos mértékegységek: ng/g, μg/kg; mg/t; mm³/m³; nmol/mol. A billió Magyarországon természetesen 10¹².

A ppt (parts per trillion) megadja a rendszer billió (10¹²) egységében (tehát tömeg-, vagy térfogat-, vagy pedig anyagmennyiség-egységében (részecskeszámban, db.)) az illető komponens mennyiségét ugyanazon egységben. A definíciónak megfelelő használatos mértékegységek: pg/g, ng/kg, μg/t; µm³/cm³; pmol/mol. A trillió Magyarországon természetesen 10¹⁸.

A ppq (parts per quadrillion) megadja a rendszer billiárd (10¹⁵) egységében (tehát tömeg-, vagy térfogat-, vagy pedig anyagmennyiség-egységében (részecskeszámban, db.)) az illető komponens mennyiségét ugyanazon egységben. A definíciónak megfelelő használatos mértékegységek: fg/g, pg/kg, ng/t; µm³/dm³; fmol/mol. A kvadrillió Magyarországon természetesen 10²⁴.

A fentiek ellentétére (a nagyon nagy rész kifejezésére) nincs elfogadott terminológia. Ezeket azonban a mértékegységgel egyértelműen jelölni lehet. Például kg/g, kg/mg, kg/μg; m³/dm³, mol/mmol, mol/μmol.

Problematikus a darabszámok arányának megadása. Ha 999 szem búza mellett van 1 szem konkoly, azt nem szabad így jelölni: 1k, mert a prefixum mértékegység nélkül értelmezhetetlen. (Lásd: NIST Guide to SI 7.10.1 Decimal multiples and submultiples of the unit one) Jelölése lehet 1k uno/uno, ezt a mértékegységet azonban az Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia még nem fogadta el. A helyes megoldás így: tisztasági fok = 10³.

A fenti mértékegységek tört formájában adhatók meg. Ügyelni kell azonban arra, hogy vagy a tört számlálója, vagy a nevezője az adott mennyiség alapmértékegységét tartalmazza. Az előzőekben említett ng/t azért szabályos, mert az SI-mértékegységrendszer engedélyezte a rendszeren kívüli tonna mértékegység használatát.

Források

• Dr. Lázár István: Általános és szervetlen kémia, Kossuth Egyetemi Kiadó, Debrecen, 2000

További információk

• NIST Guide to SI, hetedik rész
• Green Book, második kiadás, bár már létezik harmadik kiadása is.