Koncentrationer

Ved opblanding af grundstoffer/kemisk forbindelser, er det til tider vigtigt at kende koncentrationen af de pågældende komponenter. Det kan være indholdet af nikkel i drikkevand, eller chrom(VI) i spildevand eller indholdet af guld i smykker. Det lyder banalt, og det er det på sin vis også, men i praksis har det alligevel vist sig at være svært. En del af problemet ligger i, at man skelner mellem formel koncentration og aktuel koncentration som kan være det samme, men ikke behøver være det (bliver gennemgået i detaljer længere nede). Formel koncentration er den koncentration der burde være, ud fra det der er tilsat, aktuel koncentration er den reelle koncentration i opløsningen.

En bestemmelse af indholdet af en given komponent kaldes en kvantitativ analyse, i modsætning til den kvalitative analyse, som blot er en ja/nej-test om det man søger er der, eller ej. I analysekemi skelner man mellem de to typer af analyse af praktiske årsager: begrænsninger i apparatur og metoder. Man har også det der kaldes semikvantitative analyser, hvor man kan identificere komponenten, altså den kvalitative analyse, og om indholdet er højt, lavt eller middel.

Detaljerne bliver gennemgået længere nede, men for oversigtens skyld, så er det flg. måder at angive indhold/koncentration man normalt anvender:

• Molær koncentration: Det molære indhold opgives i mol pr. liter, mol/l. Denne kaldes også molær og skrives som M. Molær bruges sædvanligvis til væsker. Man kan principielt også bruge det til koncentrationer i gasser i gasser, men her bruger man traditionelt parts per million (ppm) i stedet.
• Masse pr. volumen: Masse pr. volumen er den angivelse af koncentration der intuitivt giver mest mening for de fleste. Der er opløst X antal gram af et eller andet pr. liter opløsningsmiddel, eller hvad man nu anvender af enhed for masse og volumen. Ligesom med molær, kan man principielt også bruge masse pr. volumen for gasser, men man bruger i reglen parts per million (ppm) i stedet.
• Molal koncentration: Den molale koncentration er antal mol pr. kg opløsningsmiddel. Det er ikke en koncentration der anvendes ret tit, men den har én vigtig anvendelse: beregning af frysepunktssænkninger.
• Molbrøk: Molbrøken er et simpelt forholdstal, antal mol af komponent A i forhold til totalen, og den benævnes X.
• Procentuelt indhold: Procentuelt indhold er som navnet antyder en helt almindelige procentberegning. Der hvor det bliver kompliceret er hvad man tager procenter af, især fordi forholdstal som udgangspunkt er enhedsløse. Derfor ser man ved disse, en angivelse af om det er vægt til vægt (w/w), volumen til volumen (v/v), vægt til volumen (w/v) eller noget helt fjerde.
• Parts per million (ppm): Parts per million er en variation over procenter, men i stedet for procenter som er hundrededele, er det milliontedele, svarende til f.eks. mg pr. kg. Fra tid til anden ser man også ppb (parts per billion) blive brugt, men ppm er langt det mest anvendte.

Man skelner ved koncentrationer mellem den formelle koncentration og den aktuelle koncentration.

Den formelle koncentration er den koncentration der burde være, ud fra det man har opløst. Denne skriver man som c. Koncentrationen af salt opløst i vand skriver man som c(NaCl) eller c_NaCl. Der er frit valg om man vil skrive det på den ene eller den anden måde, men notationen med lavtstillet skrift kan give nogle typografiske udfordringer, som gør at den anden notation er mere hensigtsmæssig.

Den aktuelle koncentration er den faktiske koncentration i opløsningen. Dette skrives med skarpe paranteser, så den aktuelle koncentration af salt skrives som [NaCl].

For kemiske forbindelser, der ikke dissocierer, f.eks. glucose:

C₆H₁₂O₆(s) C₆H₁₂O₆(aq)

er den formelle og den aktuelle koncentration ens. Salt derimod, siges at dissocierer helt:

NaCl(s) Na⁺(aq) + Cl⁻(aq)

så her vil 1 mol NaCl opløst i 1 liter vand give c(NaCl) = 1 M og [NaCl] = 0 M.

Så længe der arbejdes med stoffer der er enten/eller, som i de to eksempler, er formel og aktuel koncentration let nok at arbejde med. Udfordringen kommer ved ligevægte, hvor de kemiske forbindelser kun delvist dissocierer. En kemiske forbindelse, lad os kalde den HA, som dissocierer 75%, vil derfor ved en opløsning hvor c(HA) = 1 M have [HA] = 0,25 M. Hvordan man arbejder med dette, og regner på det, kommer under afsnittet om støchiometriske beregninger.

Den molære koncentration er antal mol pr. liter, dvs.

c =

n V

Husk angivelse af enhed! Koncentrationen c kan også være masse pr. rumfang, f.eks. g/l , eller komme ud som mol/m³, fordi man regner i SI-enheder. Mol pr. liter skrives også som M, som udtales molær, dvs. opløsningen er x mol pr. liter eller x molær.

Koncentrationen som masse pr. volumen er den måde at angive koncentrationer på, der instinktivt giver mest mening for mange, fordi den består af enheder man er vandt til at bruge. Som formel ser det således ud:

c =

m V

Husk angivelse af enhed! Koncentrationen c kan også være mol pr. rumfang, f.eks. mol/l eller mol/m³.

Molal koncentration er antal mol pr. kg opløsningsmiddel, og skrives som b eller m. Der er angiveligt frit valg, men man anbefaler generelt b, da m er for let at forveksle med m for masse. På dansk har vi traditionelt brugt c_molal i stedet.

b =	n mopløsningsmiddel

Det er ikke en koncentrationsangivelse der bruges ret meget, og ud over beregninger af frysepunktssænkninger, er den molale koncentration kun af meget begrænset anvendelighed.

Enheden mol/kg kaldes også molal og skrives også som m, analogt til molær, M, beskrevet oven for.

Molbrøken er et forholdstal for moltallene, dvs. for stoffet A er molbrøken:

x(A) =

n(A) n(total)

Det procentuelle indhold af en given komponent er som sådan helt banal procentregning, og intuitivt er det at forholde sig til, fordi vi er vandt til at tænke i procenter. Det er imidlertid væsentligt, om der er tale om masseprocenter, volumenprocenter eller noget helt tredje, og det er her det kan gå galt i notationen. I praksis gør man det, at man i en parantes angiver om det er vægt til vægt (w/w), vægt til volumen (w/v), osv. Der er ikke nogen fast regel om hvor det skal stå, det skal blot være entydigt, f.eks.:

Procentuelt indhold af A (w/w) = X %

eller

Procentuelt indhold af A = X % (w/w)


Formlerne for beregning er f.eks.:

Procentuelt indhold af A (w/w) =

m(A) x 100 m(total)

Procentuelt indhold af A (v/v) =

V(A) x 100 V(total)

Procentuelt indhold af A (w/v) =

m(A) x 100 V(total)

Parts per million er blot en variation over procenterne, men i stedet for procenter (hundrededele) arbejder man med milliondedele, f.eks.:

Indhold af A i ppm (w/w) =

m(A) x 106 m(total)

Indhold af A i ppm (v/v) =

V(A) x 106 V(total)

Fordi det er så let at misforstå, er der mange der, i stedet for at skrive ppm, skriver mg/kg eller ml/m³, afhængig af omstændighederne.

Det hænder at man støder på ppb (parts per billion) i stedet for ppm, men det er ikke så tit, da kun de færreste analyser kan måle med de nøjagtigheder, og relevansen er i reglen også begrænset. Men de findes, og man støder på dem fra tid til anden.