Массовая доля вещества в растворе определяется как отношение массы растворённого вещества к общей массе раствора. Этот способ выражения концентрации широко используется в практике приготовления растворов, поскольку масса веществ легко измеряется. Однако при необходимости перехода к другим формам концентрации, например, молярной или нормальной, требуется выполнить соответствующие пересчёты.
Формула для массовой доли:
$$ w = \frac{m_{\text{вещества}}}{m_{\text{раствора}}} $$
где w – массовая доля, mвещества – масса растворённого вещества, mраствора – масса раствора.
Для пересчёта массовой доли в молярную концентрацию необходимо знать массу растворителя и объём раствора, а также молярную массу вещества.
Молярная концентрация определяется числом молей растворённого вещества, содержащихся в 1 литре раствора:
$$ C = \frac{n}{V} $$
где n – количество вещества в молях, V – объём раствора в литрах.
При пересчёте массовой доли в молярную концентрацию используются следующие шаги:
Определение массы растворённого вещества:
mвещества = w ⋅ mраствора
Нахождение количества вещества:
$$ n = \frac{m_{\text{вещества}}}{M} $$
где M – молярная масса растворённого вещества.
Вычисление объёма раствора через плотность:
$$ V = \frac{m_{\text{раствора}}}{\rho} $$
где ρ – плотность раствора.
Подстановка значений в формулу молярной концентрации.
Таким образом, массовая доля легко преобразуется в молярную концентрацию через промежуточные вычисления с использованием плотности и молярной массы.
Нормальная концентрация или нормальность выражается количеством эквивалентов вещества, содержащихся в 1 литре раствора:
$$ C_n = \frac{n_\text{экв}}{V} $$
Для пересчёта молярной концентрации в нормальную необходимо знать эквивалентность вещества:
Cn = C ⋅ f
где f – фактор эквивалентности, равный отношению молярной массы вещества к массе одного эквивалента. Для кислот это число ионов водорода, которые молекула может отдавать, для оснований – число ионов гидроксила, для солей – заряд иона, вступающего в реакцию.
Мольная доля показывает отношение количества вещества к общему числу молей всех компонентов раствора:
$$ x_i = \frac{n_i}{\sum n} $$
Переход от молярной концентрации к мольной доле требует знания количества растворителя в молях:
Определение количества растворённого вещества через молярную концентрацию и объём:
nвещества = C ⋅ V
Определение числа молей растворителя:
$$ n_{\text{растворителя}} = \frac{m_{\text{растворителя}}}{M_{\text{растворителя}}} $$
Вычисление мольной доли по общей формуле.
Ключевым параметром при переходе от массовой доли к молярной концентрации является плотность. Она позволяет связать массу раствора с его объёмом. В таблицах часто приводятся зависимости плотности водных растворов от концентрации для наиболее распространённых веществ, что облегчает пересчёты.
Например, для раствора серной кислоты известна зависимость между массовой долей и плотностью. Используя её, можно быстро найти молярную или нормальную концентрацию без дополнительных измерений.
Различные области химии и смежных наук используют разные способы выражения концентраций. В аналитической химии чаще применяют нормальные растворы, в физической химии и термодинамике – мольные доли, в биохимии и медицине – массовые проценты, в лабораторной практике – молярные концентрации. Поэтому умение переходить от одного способа выражения концентрации к другому является необходимым элементом работы с растворами.