Массовая доля (ω) представляет собой отношение массы растворённого вещества к массе всего раствора. Она выражается формулой:
$$ \omega = \frac{m_{\text{в-ва}}}{m_{\text{р-ра}}} $$
где mв-ва — масса растворённого вещества, mр-ра — масса раствора. В химии массовая доля часто указывается в процентах. Такой способ удобен для описания состава растворов в аналитической химии и в промышленности, где необходимо точное определение количества вещества в смеси.
Молярная концентрация (C, моль/л) определяется количеством вещества, содержащегося в единице объёма раствора:
$$ C = \frac{n}{V} $$
где n — количество вещества в молях, V — объём раствора в литрах. Данный способ наиболее распространён в лабораторной практике, так как позволяет легко рассчитывать количество реагентов для химических реакций.
Моляльность (m, моль/кг) — отношение количества вещества к массе растворителя:
$$ m = \frac{n}{m_{\text{р-ля}}} $$
где mр-ля — масса растворителя в килограммах. В отличие от молярности, моляльность не зависит от температуры, так как определяется массой растворителя, а не объёмом раствора, который изменяется при нагревании или охлаждении.
Нормальность (N) — это концентрация эквивалентов вещества в 1 литре раствора:
$$ N = \frac{n_{\text{экв}}}{V} $$
где nэкв — количество эквивалентов вещества. Нормальность удобна в кислотно-основных и окислительно-восстановительных реакциях, где важна именно эквивалентная величина реагента.
Эквивалентная масса определяется как масса вещества, которая реагирует или замещает 1 моль водорода, 0,5 моль кислорода или 1 моль электронов. Она связана с молярной массой через число эквивалентности z:
$$ M_\text{экв} = \frac{M}{z} $$
Соответственно, нормальность и молярность связаны формулой:
N = C ⋅ z
Массовая концентрация (ρ, г/л) выражает массу вещества, содержащегося в 1 литре раствора:
$$ \rho = \frac{m}{V} $$
Этот способ особенно применим в промышленности, где удобно оперировать реальной массой вещества, а не количеством молей.
Объёмная доля (φ) используется для газовых и жидких растворов:
$$ \varphi = \frac{V_{\text{компонента}}}{V_{\text{смеси}}} $$
Она выражается в процентах и широко применяется для описания состава газовых смесей и растворов жидкость–жидкость.
Мольная доля (x) определяется как отношение количества вещества данного компонента к суммарному количеству всех компонентов раствора:
$$ x_i = \frac{n_i}{\sum n} $$
Сумма мольных долей всех компонентов равна единице. Этот способ широко применяется в физической химии, поскольку удобен для выражения термодинамических свойств растворов.
Для описания свойств растворов, зависящих от концентрации, используют парциальные молярные величины, которые показывают вклад каждого компонента в общую характеристику системы. Например, парциальная молярная энтальпия или парциальная мольная энтропия учитываются при изучении термодинамики растворов.
Таким образом, разнообразие способов выражения концентрации обусловлено различными задачами химии: от точных расчётов в физико-химических процессах до практического контроля состава растворов в промышленности.