什么是溶液浓度?
溶液是均匀混合物:溶质(盐)逐分子地溶解在溶剂(水)中。浓度回答的是此后化学上唯一要紧的问题——有多挤?——因为反应是粒子对粒子发生的,拥挤的溶液与稀疏的溶液反应节奏不同。古往今来发明的每一种浓度单位都只是一个分数:什么除以什么。把两个“什么”读清楚,任何单位都不会再让你意外。
要记住的一条规则:盯住分子和分母。摩尔每升溶液(M)与摩尔每千克溶剂(m)相差的不只是一个字母——两个分母量的是不同的东西。
摩尔浓度、质量摩尔浓度、当量浓度:三种分母
摩尔浓度(M)是每升溶液中溶质的摩尔数——实验室的主力,因为移液管和容量瓶量的是体积。它的弱点:体积随温度膨胀,20 °C 的 1.0000 M 到 40 °C 就不是 1.0000 M 了。质量摩尔浓度(m)除以溶剂的千克数,加热不会改变它——这就是依数性工作(凝固点降低、沸点升高)坚持用它的原因。当量浓度(N)按当量而非摩尔数计数:一摩尔 H2SO4 提供两个酸当量,所以 0.5 M H2SO4 是 1 N——面板的当量数字段(H2SO4 = 2、HCl = 1、H3PO4 = 3)做的正是这个换算。配制 1 L 0.1 M NaCl:称 5.844 g,溶于不足一升水中,再在容量瓶中定容到恰好 1.000 L——看的是最终体积,不是加了多少水。
稀释:开工时的摩尔数就是保留下来的摩尔数
稀释加的是溶剂,从不加溶质,因此摩尔数守恒:C1V1 = C2V2 无非是“稀释前摩尔数 = 稀释后摩尔数”把体积约掉。稀释面板的示例:10 M 储备液取 50 mL,稀释到 250 mL——体积五倍,浓度恰好除以五,C2 = 2.0000 M,稀释因子 5.0×。同一套账反过来算,就告诉你为达到目标浓度该量多少储备液——缓冲液配制的日常。
百分比与 PPM:日常语言的浓度
百分比溶液是“每一百”的比率,有三种绝不能混淆的口味:w/v(每 100 mL 溶液中固体的克数——生物实验室的默认)、v/v(每 100 mL 中溶质的毫升数,用于乙醇这类液体溶于液体)、w/w(每 100 g 中溶质的克数,不受体积收缩影响)。百分比面板的示例:5 g 溶解定容到 100 mL 即 5% (w/v) = 50 g/L。极稀的水溶液由 PPM 接管——对水定义为 mg/L,因为一升稀溶液的重量基本上就是一千克。PPM 面板把同一个示例换算到所有单位:1 ppm = 1000 ppb = 106 ppt = 0.0001% = 1 mg/L。
摩尔质量之桥
浓度以摩尔计,但瓶子和天平说的是克,两者之间的翻译就是摩尔质量。NaCl 重 58.440 g/mol(面板用与摩尔质量页相同的原子质量计算它),所以溶解 58.440 g 并定容到恰好 1 L 就得到 1.0000 M——这就是标准溶液的全部配方。摩尔浓度面板接受化学式(由内置解析器计算质量)或直接填质量,然后并排给出摩尔数、摩尔浓度、当量浓度或 ppm。
常见误区
- M 和 m 是同一个单位。升-溶液 对 千克-溶剂:室温下的稀水溶液两者几乎重合,这正是面板把质量摩尔浓度输出标注为近似值的原因。
- PPM 到处都是同一个意思。mg/L 是水专用的捷径。在气体混合物和固体中,ppm 严格是质量/质量(或摩尔/摩尔)比。
- 稀释改变溶质的量。只有浓度变。示例里 50 mL 的 10 M 储备液与 250 mL 的 2 M 产物含有一模一样的 0.50 mol。
- 体积可以相加。50 mL 乙醇 + 50 mL 水约得 97 mL——混合会收缩。这就是 v/v 百分比规定“定容到”而非“加入”的原因。
相关工具:摩尔质量(克↔摩尔的翻译官)、方程式配平(基于这些摩尔数的化学计量),以及酸碱(浓度如何变成 pH)。