Мольная концентрация (молярность, C) определяется как количество вещества, выраженное в молях, растворённого в единице объёма раствора, выраженной в литрах:
$$ C = \frac{n}{V} $$
где n — количество вещества в молях, V — объём раствора в литрах. Молярность широко используется в аналитической химии для точного приготовления растворов и расчёта стехиометрических соотношений в реакциях. Важным аспектом является зависимость молярности от температуры, так как объём раствора изменяется при нагревании или охлаждении.
Моляльность (m) определяется количеством вещества, выраженным в молях, на килограмм растворителя:
$$ m = \frac{n}{M_{\text{растворителя}}} $$
где Mрастворителя — масса растворителя в килограммах. Моляльность не зависит от температуры, что делает её удобной для термохимических и коллигативных расчётов (например, при определении понижения давления пара или изменения температуры замерзания).
Массовая концентрация (ρm) — это масса растворённого вещества на единицу объёма раствора:
$$ \rho_m = \frac{m_{\text{вещества}}}{V_{\text{раствора}}} $$
Массовая доля вещества (w) определяется отношением массы растворённого вещества к массе всего раствора:
$$ w = \frac{m_{\text{вещества}}}{m_{\text{раствора}}} $$
Массовые величины удобны для промышленного контроля состава растворов и при подготовке стандартных растворов, когда точный объём затруднительно измерить.
Объёмная доля (φ) характерна для жидкостей и газов, растворённых друг в друге, и выражается как отношение объёма компонента к общему объёму смеси:
$$ \varphi = \frac{V_{\text{компонента}}}{V_{\text{смеси}}} $$
Объёмная доля используется при анализе газовых смесей, приготовлении спиртовых растворов и жидких растворов органических веществ.
Нормальная концентрация (N) выражает количество эквивалентов вещества в литре раствора:
$$ N = \frac{\text{число эквивалентов вещества}}{V_{\text{раствора}}} $$
Эквивалент вещества определяется по реакции: для кислот — количество протонов, для оснований — количество гидроксид-ионов, для окислителей и восстановителей — количество переносимых электронов. Нормальность используется преимущественно в титриметрии и аналитических расчётах.
Молярная доля (xi) компонента в растворе определяется как отношение числа молей данного компонента к сумме молей всех компонентов:
$$ x_i = \frac{n_i}{\sum n_j} $$
Молярные доли особенно важны в термодинамических расчётах, изучении равновесия фаз, фазовых диаграмм и при работе с газовыми смесями.
Коллигативные свойства растворов (понижение давления пара, повышение температуры кипения, понижение температуры замерзания, осмотическое давление) зависят от числа частиц растворённого вещества, а не от их химической природы. Для расчётов используются молярная концентрация или моляльность с учётом степени диссоциации или ассоциации вещества в растворе.
Выбор метода выражения концентрации зависит от задачи и условий эксперимента:
Каждый способ выражения концентрации имеет свои преимущества, ограничения и область применения, что позволяет точно учитывать количественные и качественные характеристики растворов.