Концентрация вещества: понятие и единицы измерения

Концентрация вещества: понятие и единицы измерения
Концентрация — это физическая величина, характеризующая количественный состав смеси
(раствора, расплава, газовой смеси). Она показывает, какое количество растворенного
вещества (или компонента) содержится в определенном количестве (массе, объеме)
растворителя, смеси или всего раствора .
Проще говоря, концентрация отвечает на вопрос: «Сколько вещества находится в единице
объема или массы?».
Для целей автоматического контроля (газоанализаторы, хроматографы, pH-метры)
правильный выбор и понимание единиц измерения критически важны, так как от этого
зависят настройки приборов, пороги срабатывания сигнализации и экологические нормативы.
2. Классификация способов выражения концентрации
Все способы выражения концентрации можно разделить на три большие группы:
1.
Концентрации, основанные на отношении массы или количества вещества к объему
смеси (наиболее распространены в аналитике).
2.
Концентрации, основанные на отношении массы или количества вещества к массе
смеси (менее зависимы от температуры).
3.
Безразмерные концентрации (доли, проценты).
3. Основные единицы измерения
3.1. Молярная концентрация (С)
3.2. Моляльная концентрация (Сm)
Особенность: В отличие от молярной, моляльная концентрация не зависит от температуры,
так как масса растворителя при нагревании не меняется (если нет испарения). Применяется в
физико-химических исследованиях, где важна точность, не зависящая от колебаний
температуры.
3.3. Массовая концентрация (ρ)
Важно для газового анализа:
Для газов часто используют размерность мг/м³. Однако масса газа в 1 м³ сильно зависит от
температуры и давления. Поэтому для приведения к стандартным условиям (обычно 20°C и
101,3 кПа) используют поправочные коэффициенты.
3.4. Объемная концентрация (φ)
Применение:
Это основной способ выражения концентрации для газов. При измерении газоанализаторами
(метана, кислорода, углекислого газа) результаты часто выводятся именно в % об. или ppm.
Особенность: Объемная доля газа идеально подчиняется закону Авогадро (в равных объемах
газов содержится одинаковое количество молекул), поэтому она пропорциональна молярной
доле.
3.5. Массовая доля (ω)
4. Специальные единицы для газового анализа (ppm, % НКПР)
4.2. % НКПР (нижний концентрационный предел распространения
пламени)
Важно: % НКПР — это не процент содержания газа в воздухе, а процент от порога
взрываемости. Например, если НКПР метана составляет 5% об., то показание прибора «50%
НКПР» соответствует реальной концентрации 2,5% об. метана.
5. Зависимость единиц от внешних условий
При работе с газоанализаторами и нормированием выбросов необходимо учитывать,
что массовая концентрация (мг/м³) зависит от температуры и давления, а объемная (% об.,
ppm) — не зависит (в пределах погрешности закона идеальных газов).
Поэтому экологические нормативы (ПДК — предельно допустимые концентрации) часто
указываются в мг/м³ с обязательным указанием стандартных условий (обычно 20°C и 101,3
кПа или 0°C и 101,3 кПа).
Заключение
Понимание единиц измерения концентрации является базовым навыком для специалиста в
области автоматизации, эколога и химика-аналитика.
1.
Для жидкостей и твердых тел чаще всего используют массовую долю
(%) или массовую концентрацию (г/л, мг/л) .
2.
Для газовых сред стандартом являются объемные проценты (% об.) и ppm, а также
специфические единицы взрывобезопасности — % НКПР .
3.
При работе с газоанализаторами (особенно оптическими и термохимическими) важно
различать, в каких единицах отградуирован прибор, и корректно пересчитывать значения при
изменении температуры и давления среды.