Concentrazione (chimica)

Esempi di soluzioni diluite e concentrate. La concentrazione è evidenziata qualitativamente dalla colorazione data dall'inchiostro.

La concentrazione di un componente in una miscela è una grandezza che esprime il rapporto tra la quantità del componente rispetto alla quantità totale di tutti i componenti della miscela (compreso il suddetto componente), o, in alcuni modi di esprimerla, del componente più abbondante.

Nel caso specifico di una soluzione (che è un tipo particolare di miscela), la concentrazione di un determinato soluto nella soluzione esprime il rapporto tra la quantità del soluto rispetto alla quantità totale di soluzione, o, in alcuni modi di esprimerla, del solo solvente (ad esempio molalità).

Quando la sostanza in esame ha una concentrazione molto elevata nella miscela, si parla in genere di purezza; se non è diversamente specificato, la purezza viene intesa come la percentuale in peso della sostanza in esame rispetto al peso totale della miscela. Ad esempio se un campione di 100 grammi di argento presenta una purezza del 99,9% vuol dire che tale campione contiene 99,9 grammi di argento e 0,1 grammi di altre sostanze (dette impurezze).

Modi per esprimere la concentrazione^[1]

Notazione quantitativa

Concentrazione massica (Densità in soluzione)

La densità in soluzione ${\displaystyle \rho _{i}}$ indica il rapporto tra la massa del soluto ${\displaystyle m_{i}}$ rispetto al volume dell'intera soluzione ${\displaystyle V}$:

${\displaystyle \rho _{i}={\frac {m_{i}}{V}}.}$

La densità in soluzione si esprime in kg/m³ (pari a g/L).

Molarità

La molarità (o concentrazione molare) ${\displaystyle c_{i}}$ si definisce come il rapporto del numero di moli del soluto ${\displaystyle n_{i}}$ rispetto al volume della soluzione ${\displaystyle V}$ in litri:

${\displaystyle c_{i}={\frac {n_{i}}{V}}.}$

L'unità di misura della molarità sono i kmol/m³ (che, si ricorda, equivalgono a mol/L, a loro volta pari a mol/dm³).

Densità di numero

La densità di numero ${\displaystyle C_{i}}$ indica il numero di determinati oggetti ${\displaystyle N_{i}}$ per unità di volume ${\displaystyle V}$:

${\displaystyle C_{i}={\frac {N_{i}}{V}}.}$

La densità di numero è misurata in 1/m³.

Percentuale in volume

La percentuale in volume ${\displaystyle \phi _{i}}$ corrisponde ai millilitri (mL) di soluto ${\displaystyle V_{i}}$ disciolti in 100 millilitri di soluzione ${\displaystyle V}$:

${\displaystyle \phi _{i}={\frac {V_{i}}{V}}.}$

Trattandosi di una grandezza adimensionale, la percentuale in volume è definita da un numero o da una percentuale (per esempio, 0,18 o 18%).

Quantità relative

Normalità

La normalità indica il numero di equivalenti di un soluto disciolti in un litro di soluzione. Si calcola con la formula:^[2]

${\displaystyle N={\frac {n_{eq}}{V}}}$

Questa grandezza oggi è abolita sia dalla IUPAC che dal Sistema Internazionale, ma si continua comunque a farne uso.

Molalità

La molalità ${\displaystyle b_{i}}$, da non confondersi con la molarità, è definita come il rapporto tra il numero di moli del soluto ${\displaystyle n_{i}}$ e la massa del solvente ${\displaystyle m_{\mathrm {solvente} }}$ espressa in chilogrammi (non la massa della soluzione).

${\displaystyle b_{i}={\frac {n_{i}}{m_{\mathrm {solvente} }}}.}$

La molalità si esprime, quindi, in mol/kg.

Frazione molare

La frazione molare ${\displaystyle r_{i}}$ è definita come il rapporto della quantità di sostanza della specie chimica in questione ${\displaystyle n_{i}}$ e la quantità di sostanza di tutte le specie presenti nella miscela:

${\displaystyle r_{i}={\frac {n_{i}}{n_{\mathrm {tot} }}}.}$

Rapporto di mescolanza

Il rapporto di mescolanza ${\displaystyle r_{i}}$ è il rapporto tra la massa ${\displaystyle m_{v}}$ di vapore acqueo e la massa ${\displaystyle m_{d}}$ d'aria secca contenute in una certa massa d'aria umida:

${\displaystyle r_{i}={\frac {m_{v}}{m_{d}}}.}$

Frazione massica

La frazione ponderale (della massa) ${\displaystyle w_{soluto}}$ definita come il rapporto tra la massa della specie chimica in questione e la massa totale della miscela.

${\displaystyle w_{soluto}={\frac {m_{soluto}}{m_{soluto}+m_{solvente}}}}$

Trattandosi di una grandezza adimensionale, la percentuale in massa è definita da un numero o da una percentuale (per esempio, 0,23 o 23%).

Tabella riassuntiva

Tipo di concentrazione	Simbolo	Definizione	Unità di misura	Altre unità
percentuale massa/volume	${\displaystyle \rho _{i}}$ o ${\displaystyle \gamma _{i}}$	${\displaystyle m_{i}/V}$	kg/m^3	g/100mL (= g/dL)
concentrazione molare	${\displaystyle c_{i}}$	${\displaystyle n_{i}/V}$	mol/m^3	M (= mol/L)
densità di numero	${\displaystyle C_{i}}$	${\displaystyle N_{i}/V}$	1/m^3	1/cm^3
percentuale in volume	${\displaystyle \phi _{i}}$	${\displaystyle V_{i}/V}$	m^3/m^3	%, ‰, ppm, ppb, ppt
Quantità relative	Simbolo	Definizione	Unità di misura	Altre unità
normalità	${\displaystyle N}$	${\displaystyle c_{i}/f_{\mathrm {eq} }}$	mol/m^3	N (= mol/L)
molalità	${\displaystyle b_{i}}$	${\displaystyle n_{i}/m_{\mathrm {solvente} }}$	mol/kg
frazione molare	${\displaystyle x_{i}}$	${\displaystyle n_{i}/n_{\mathrm {tot} }}$	mol/mol	ppm, ppb, ppt
rapporto di mescolanza	${\displaystyle r_{i}}$	${\displaystyle n_{i}/(n_{\mathrm {tot} }-n_{i})}$	mol/mol	ppm, ppb, ppt
frazione massica	${\displaystyle w_{i}}$	${\displaystyle m_{i}/m_{\mathrm {tot} }}$	kg/kg	%, ‰, ppm, ppb, ppt

Altre notazioni

Nel caso di soluzioni acquose (per cui la densità è prossima all'unità) si assimila la concentrazione (in massa sul volume) in g/L a concentrazione per mille (‰). Questa notazione è usata, ad esempio, nel settore enologico (i disciplinari impiegano la concentrazione per mille per designare l'acidità o l'estratto secco nel vino)^[3]. Similmente, sempre per soluzioni acquose, la concentrazione espressa in % equivale a 10 g/l (ad esempio acqua zuccherata a 70 g/l equivale al 7%). In campo farmaceutico la soluzione fisiologica, ad esempio al 3%, esprime 3 g di NaCl (sale) disciolti in 100 ml di acqua purificata. Idem la soluzione nutrizionale parentale di tipo zuccherino al 5% (1 ml di soluzione acquosa contiene 5 g di glucosio disciolti).

Notazione complementare alla % è il rapporto relativo soluto:miscela^[4] (in peso o volume) con notazione Q_soluto : Q_miscela (es. rapporto zucchero-bevanda 3:100).

Note

1. IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, seconda edizione (1997). (EN) concentration.
2. Silvestroni, p. 238.
3. Colline novaresi DOC
4. In alcuni casi (a meno che non sia diversamente esplicitato) si fa un errore concettuale perché si riporta alla quantità del solvente e non alla quantità della miscela (soluto + solvente) cioè rispetto al totale. Questo accade perché in molte casi pratici di miscele, la quantità di solvente è molto maggiore di quella del soluto.

Bibliografia

• R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot, Fenomeni di trasporto, a cura di Enzo Sebastiani, Milano, Casa editrice ambrosiana, 1979, ISBN 88-408-0051-4.
• Paolo Silvestroni, Fondamenti di chimica, 10ª ed., CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8.

Voci correlate

• Costante di equilibrio
• Diluizione infinita
• Composizione chimica
• Croce di sant'Andrea (chimica)
• Concentrazione analitica
• Titolazione (chimica)
• Purezza (gas)
• Titolo di vapore

Altri progetti

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• Wikizionario

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Collegamenti esterni

• (EN) concentration, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.

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