Koncentrācija

Koncentrācija vispārībā ir fizikāls lielums, kas raksturo daļiņu saturu kādā noteiktā tilpumā. Parasti (sadzīvē un ikdienā arī ķīmijā) šo terminu lieto kā sinonīmu šķīduma kvantitatīvajam sastāvam jeb vielas saturam šķīdumā.

Fizikā lietots jēdziens

Tā vienkārši ir daļiņu skaita attiecība pret tilpumu, kur šīs daļiņas atrodas. Pašu daļiņu aizņemtajam tilpumam noteikti ir jābūt nesalīdzināmi mazākam par sistēmas tilpumu, citādi lielums zaudē jēgu — daļiņu sadalījums tilpumā vair nebūtu vienmērīgs, nepakļausies statistikas likumiem. Piemēram, baktēriju daudzuma sadalījums sporta zāles gaisā ir aptuveni vienmērīgs (var lietot jēdzienu "baktēriju koncentrācija", bet spēlētāju daudzuma sadalījums gan nav vienmērīgs: lai gan var pieņemt, ka spēlētāji kustas haotiski (tos vēl papildus ierobežo spēles noteikumi), viņu izmēri ir jau salīdzināmi ar zāles izmēriem. Nav grūti iztēloties situāciju, kad visi spēlētāji atrodas vienā nelielā laukuma daļā (atšķirībā no gadījuma ar baktērijām).

Daļiņu koncentrācija ir izsakāma šādi:

$n_{sth}={\frac {N_{sth}}{V_{ocpd}}}$ ,

kur N_sth — daļiņu skaitlisks daudzums , bet V_ocpd — to aizņemtais tilpums (kubikmetros).

$[n_{sth}]=1m^{-3}$

Šādi izsaka, piemēram, molekulu saturu gāzē (tā vienā no gāzu kinētiskās teorijas pamatvienādojuma formām — $p={\tfrac {1}{3}}n_{0}m_{0}v_{kvadr.}^{2}~$), elektronu skaitu vadītāja tilpuma vienībā (piemēram, strāvas stipruma izteiksmē $I=qv_{x}n_{0}S$) un citu daļiņu daudzuma raksturošanai.

Ķīmijā un sadzīvē lietots jēdziens

Šķīduma kvantitatīvo sastāvu var izteikt daudzos dažādos veidos. Šeit būs minēti tikai daži no tiem.

Piezīme: bez procentiem kādas attiecības izteikšanai (īpaši Rietumos) izmanto arī tūkstošdaļas (ppt), miljondaļas (ppm), miljarddaļas (ppb) un tā tālāk.

Vielas koncentrācija šķīdumā

Šis izteikšanas veids ir visizplatītākais. IUPAC norāda, ka koncentrācija ir kāda no izšķīdušās vielas parametriem attiecība pret šķīduma tilpumu, bet ir ierasts saukt par "koncentrāciju" arī cita veida jēdzienus.

IUPAC norādītā jēdziena "koncentrācija" definīcija atbilst arī tā nozīmei fizikā, jo izšķīdušās vielas daļiņas ir ļoti sīkas un pat koloīdālo šķīdumu gadījumā to izmēra kārta nepārsniedz 10^-7 m.

Attiecība pret šķīduma tilpumu

• Vielas molārā koncentrācija jeb molaritāte ir izsakāma šādi:

$C_{cmpd}={\frac {n_{cmpd}}{V_{sltn}}}$ ,

kur n_cmpd — vielas daudzums (molos), bet V_sltn — šķīduma tilpums (parasti litros).

$[C_{cmpd}]=1{\frac {mol}{l}}$

• Vielas ekvivalentu molārā koncentrācija jeb normālā koncentrācija ir izsakāma šādi:

$C_{E~cmpd}={\frac {n_{E~cmpd}}{V_{sltn}}}$ ,

kur n_{E cmpd} — vielas ekvivalentu daudzums (molos), bet V_sltn — šķīduma tilpums (parasti litros).

Ekvivalents ir vielas vienība vai tās iedomātā daļa, kas vienā noteiktā reakcijā atbilst vienam ūdeņraža atomam. Piemēram, fosforskābes reakcijā ar trim NaOH molekulām viena fosforskābes molekula atbilstīs 3 ekvivalentiem, bet reakcijā ar divām nātrija sārma molekuām — 2 ekvivalentiem. Ja reakcija nav noteikta, vielas ekvivalentu daudzums ir vienāds ar to indeksu vielas formulā reizinājumam, kas ir pie šķīdumā jonos pārtopošajām vienībām. Piemēram, Ca₃(PO₄)₂ formulvienība atbilst 6 ekvivalentiem. Elektroķīmijā ekvivalents tiek plaši izmantots, jo atbilst tādai elektrolīta daļai, kas pārnes vienu elementārlādiņu.
Ekvivalenta molmasa ir:

$E={\frac {M_{cmpd}}{N_{E}}}$ ,

kur M_cmpd — vielas molmasa, bet N_E — ekvivalentu skaits, kuram atbilst molekula.

Elementam:

$E={\frac {A}{z}}$ ,

kur A — elementa atommasa, bet z — tā vērtība. Ja elementam ir iespējamas vairākas vērtības, būs arī tikpat daudz ekvivalentu.

Jonam:

$E_{K^{n+}}={\frac {M_{K^{n+}}}{n}}$

(piemērs n vērtīgam katjonam).

Elektrolītam:

$E_{K_{m}A_{n}}={\frac {M_{K_{m}A_{n}}}{n\cdot m}}$

.

Oksidētājam vai reducētājam:

$E_{Ox}={\frac {M_{Ox}}{z}}$ ,

kur z ir elektronu skaits, kas tiek atdots oksidēšanās pusreakcijā (sniegts piemērs oksidētājam Ox).

Vecākās grāmatās sastopamie lielumi

Gramekvivalents ir viens mols (apmēram 6,022 · 10²³) ekvivalentu (!), jeb tik daudz gramu, cik atommasas vienību satur ekvivalents.

Analoģiski gramjons ir viens mols noteiktā veida jonu, bet gramatoms – viens mols noteiktā veida atomu. Jāievēro, ka ar šādiem apzīmējumiem vērtībai z ir mērvienība gekv/mol. Var sastapt arī apzīmējumus "gramkatjons" un "gramanjons".

No šiem lielumiem atvasina arī jonu koncentrāciju, izteiktu gramjonos litrā (gjon/L) vai kilogramjonos kubikmetrā (kgjon/m³), kā arī elektrolītu koncentrāciju gramekvivalentos litrā (gekv/L) vai kilogramekvivalentos kubikmetrā (kgekv/m³).

$[C_{E~cmpd}]=1{\frac {eq.mol}{l}}$

• Vielas masas koncentrācija ir izsakāma šādi:

$\gamma _{cmpd}={\frac {m_{cmpd}}{V_{sltn}}}$ ,

kur m_cmpd — vielas masa (kilogramos), bet V_sltn — šķīduma tilpums (kubikmetros).

$[\gamma _{cmpd}]=1{\frac {kg}{m^{3}}}$

Vielas masas koncentrāciju šķīdumā, izteiktu ${\frac {g}{l}}$ ,sauc par vielas titru:

$T_{cmpd}={\frac {\gamma _{cmpd}}{1000}}$ .

Molalitāte

Dažreiz to dēvē arī par molālo koncentrāciju, bet šis nosaukums ir jau ārpus minētā ierobežojuma. Vielas molalitāte ir izsakāma šādi:

$m_{cmpd}={\frac {n_{cmpd}}{m_{slvt}}}$ ,

kur n_cmpd — vielas daudzums (molos), bet m_slvt — šķīdinātāja masa (kilogramos).

Saskaņā ar IUPAC ieteikumiem molalitāti var apzīmēt gan ar b, gan ar m (vienlīdzatzīstami).

$[m_{cmpd}]=1{\frac {mol}{1kg~solvent}}$

Citas attiecības izšķīdušajai vielai pret šķīdinātāju

• Vielas un šķīdinātāja masas attiecība ir izsakāma šādi:

$MASAS~ATT._{cmpd/slvt}={\frac {m_{cmpd}}{m_{slvt}}}$ ,

kur m_cmpd — vielas masa, bet m_slvt — šķīdinātāja masa.

$[MASAS~ATT._{cmpd/slvt}]=1\%$

• Vielas un šķīdinātāja tilpumattiecība ir izsakāma šādi:

$TILPUMATT._{cmpd/slvt}={\frac {V_{cmpd}}{V_{slvt}}}$ ,

kur V_cmpd — vielas tilpums pirms šķīšanas, bet V_slvt — šķīdinātāja tilpums.

$[TILPUMATT._{cmpd/slvt}]=1\%$

Vielas daļa šķīdumā

• Vielas masas daļa šķīdumā ir izsakāma šādi:

$w_{cmpd}={\frac {m_{cmpd}}{m_{cmpd}+m_{slvt}}}$ ,

kur m_cmpd — vielas masa, bet m_slvt — šķīdinātāja masa.

$[w_{cmpd}]=1\%$

• Vielas daudzumdaļa jeb moldaļa šķīdumā ir izsakāma šādi:

$\chi _{cmpd}={\frac {n_{cmpd}}{n_{cmpd}+n_{slvt}}}$ ,

kur n_cmpd — vielas daudzums (molos), bet n_slvt — šķīdinātāja daudzums (molos).

$[\chi _{cmpd}]=1\%$

• Vielas tilpumdaļa šķīdumā ir izsakāma šādi:

$\nu _{cmpd}={\frac {V_{cmpd}}{V_{sltn}}}$ ,

kur V_cmpd — vielas tilpums pirms šķīdināšanas, bet V_sltn — šķīduma tilpums pēc tā pagatavošanas (jātceras, ka dažreiz notiek kontrakcija).

$[\nu _{cmpd}]=1\%$

Praktiskais pielietojums ķīmijā

• Molāro koncentrāciju $C_{M}$ lieto ļoti daudzās ķīmijas nozarēs, piemēram, visos ķīmiskās kinētikas vienādojumos:

$v=-{\dot {C}}_{M~izejvielai}~$ u. c.

• Ekvivalentu molārā koncentrācija ir vairāk vēsturisks vai tradicionāls raksturlielums. Ekvivalentus lietoja vēl tad, kad nebija zināms vielu patiesais kvantitatīvais sastāvs, bet ikdienā ķīmiķim, protams, bija jāzina dažādu reakciju stehiometrija.
• Titru lieto titrimetrijā.
• Molalitāti izmanto otrā Raula likuma izteiksmēs.
• Masas daļu visbiežāk lieto ikdienā un arī šķīdumu pagatavošanai lietišķām vajadzībām.
• Moldaļu izmanto gāzu parciālā spiediena noteikšanai un pirmā Raula likuma izteiksmē.
• Tilpumdaļu tradicionāli izmanto dažādu maisījumu (piemēram, gaisa vai ūdens un etilspirta maisījuma) sastāva izteikšanai.

Citi līdzīgi jēdzieni

Izmanto arī atomu daļu (izteiktu procentos vai promilēs), lai izteiktu, piemēram, kāda elementa daudzumu savienojumā vai komponenta saturu kādā sakausējumā. To izsaka šādi:

$c_{at.~cpt}={\frac {n_{cpt}}{\Sigma (n_{i~cpt})}}$ ,

kur n_cpt — komponenta daudzums (molos), bet Σ (n_{i cpt}) — visu sistēmas komponentu daudzumu (molos) summa.

$[c_{at.~cpt}]=1\%$;

dažreiz lieto arī promiles: $[c_{at.~cpt}]=$1 ‰

Literatūra

• Kokars, V. Vispārīgā ķīmija (1. daļa). Rīga: RTU izdevniecība, 2009.— 286 lpp.
• Balodis, J. Praktiskie darbi fizikālajā ķīmijā. II daļa. Rīga: Zvaigzne, 1975.– 19.–20. lpp.
• Словарь-справочник по новой керамике / Шведков Е. Л., Ковенский И. И., Денисенко Э. Т., Зырин А. В.; Отв. ред. Трефилов В. И. Киев: Наукова думка, 1991.— 280 с.