ความเข้มข้น — โมลาริตี โมแลลิตี และการเจือจาง

ความเข้มข้นในเคมีบอกว่ามีตัวถูกละลายอยู่มากแค่ไหนเมื่อเทียบกับปริมาณอ้างอิงของสารละลายหรือตัวทำละลาย รูปแบบที่นักเรียนใช้บ่อยที่สุดคือ โมลาริตี โมแลลิตี และความสัมพันธ์ของการเจือจางสำหรับโมลาริตี

ความต่างแบบสั้น ๆ คือ โมลาริตีใช้ลิตรของสารละลาย ส่วนโมแลลิตีใช้กิโลกรัมของตัวทำละลาย ถ้าจำตัวส่วนนี้ให้ชัด โจทย์เรื่องความเข้มข้นส่วนใหญ่จะง่ายขึ้นมาก

ความเข้มข้นในเคมีหมายถึงอะไร

ถ้าสารละลายหนึ่งมีความเข้มข้นมากกว่าอีกสารละลายหนึ่ง ก็แปลว่ามีตัวถูกละลายมากกว่าสำหรับปริมาณอ้างอิงที่เท่ากัน โดยปริมาณอ้างอิงนี้สำคัญมาก

• โมลาริตีเปรียบเทียบตัวถูกละลายกับปริมาตรรวมของสารละลาย
• โมแลลิตีเปรียบเทียบตัวถูกละลายกับมวลของตัวทำละลายเท่านั้น

ดังนั้น "ความเข้มข้น" จึงเป็นแนวคิดกว้าง ๆ ไม่ใช่สูตรเดียวสูตรหนึ่ง

โมลาริตี: โมลต่อลิตรของสารละลาย

โมลาริตีเขียนเป็น $M$ และนิยามโดย

$$M = \frac{n}{V}$$

โดยที่ $n$ คือจำนวนโมลของตัวถูกละลาย และ $V$ คือปริมาตรสุดท้ายของสารละลายในหน่วยลิตร

สารละลายที่มีความเข้มข้น $0.50\ \mathrm{M}$ หมายความว่ามีตัวถูกละลาย $0.50$ โมลต่อสารละลาย 1 ลิตร คำว่า "ของสารละลาย" สำคัญมาก ถ้าคุณละลายตัวถูกละลายแล้วเติมในขวดวัดปริมาตรจนถึง $1.00\ \mathrm{L}$ ค่า $1.00\ \mathrm{L}$ สุดท้ายนั้นคือปริมาตรที่ต้องใช้

เพราะโมลาริตีขึ้นกับปริมาตร ค่าของมันจึงอาจเปลี่ยนได้ถ้าอุณหภูมิเปลี่ยนมากพอจนทำให้ปริมาตรของสารละลายเปลี่ยนอย่างเห็นได้ชัด

โมแลลิตี: โมลต่อกิโลกรัมของตัวทำละลาย

โมแลลิตีเขียนเป็น $m$ และนิยามโดย

$$m = \frac{n}{m_{\mathrm{solvent}}}$$

โดยที่ $n$ คือจำนวนโมลของตัวถูกละลาย และ $m_{\mathrm{solvent}}$ คือมวลของตัวทำละลายในหน่วยกิโลกรัม

ในกรณีนี้ ปริมาณอ้างอิงคือตัวทำละลายเพียงอย่างเดียว ไม่ใช่สารละลายทั้งหมด ถ้าคุณละลายตัวถูกละลาย $0.50$ โมลในน้ำ $1.00\ \mathrm{kg}$ โมแลลิตีจะเท่ากับ $0.50\ m$

เพราะโมแลลิตีอิงกับมวล จึงมักมีประโยชน์มากกว่าเมื่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทำให้การวัดที่อิงกับปริมาตรไม่สะดวกนัก

โมลาริตีกับโมแลลิตี: ความต่างที่สำคัญจริง ๆ

นักเรียนมักจำสูตรได้ แต่ไม่แน่ใจว่าควรใช้เมื่อใด วิธีแยกแบบใช้งานจริงคือ

• ใช้โมลาริตีเมื่อโจทย์ให้หรือถามหาปริมาตรของสารละลาย
• ใช้โมแลลิตีเมื่อโจทย์ให้หรือถามหามวลของตัวทำละลาย

ในสารละลายน้ำเจือจาง ค่าทั้งสองอาจใกล้เคียงกันในเชิงตัวเลข แต่ไม่ได้มีนิยามเหมือนกัน คุณไม่ควรใช้แทนกัน เว้นแต่โจทย์จะให้ข้อมูลเพียงพอสำหรับการแปลงอย่างถูกต้อง

ตัวอย่างทำโจทย์: หาโมลาริตีและโมแลลิตีของตัวอย่างเดียวกัน

สมมติว่ากลูโคส $0.300$ โมล ถูกละลายให้ได้สารละลายปริมาตร $600\ \mathrm{mL}$ และใช้ตัวทำละลายเป็นน้ำ $0.500\ \mathrm{kg}$

เริ่มจากโมลาริตี แปลง $600\ \mathrm{mL}$ เป็น $0.600\ \mathrm{L}$ เพราะโมลาริตีใช้ลิตรของสารละลาย:

$$M = \frac{0.300}{0.600} = 0.500\ \mathrm{M}$$

จากนั้นหาโมแลลิตีโดยใช้มวลของตัวทำละลาย:

$$m = \frac{0.300}{0.500} = 0.600\ m$$

ตัวอย่างเดียวนี้มีค่าความเข้มข้นได้สองค่า เพราะแต่ละนิยามใช้ตัวส่วนต่างกัน โมลาริตีใช้ $0.600\ \mathrm{L}$ ของสารละลาย ส่วนโมแลลิตีใช้ $0.500\ \mathrm{kg}$ ของตัวทำละลาย

สมการการเจือจางทำงานอย่างไร

ในการเจือจาง คุณเติมตัวทำละลายเพิ่ม แต่ปริมาณตัวถูกละลายยังคงเดิม ถ้าตัวถูกละลายไม่เกิดปฏิกิริยาและไม่มีการสูญหาย จำนวนโมลก่อนและหลังการเจือจางจะเท่ากัน

สำหรับโจทย์โมลาริตี จะได้สมการการเจือจางที่ใช้กันทั่วไปคือ

$$M_1 V_1 = M_2 V_2$$

สมการนี้ใช้ได้เพราะ

$$n_1 = n_2$$

และสำหรับโมลาริตี มีความสัมพันธ์ว่า $n = MV$

ตัวอย่างการเจือจาง

ถ้าคุณนำสารละลาย $1.50\ \mathrm{M}$ ปริมาตร $100\ \mathrm{mL}$ มาเจือจางจนมีปริมาตรเป็น $300\ \mathrm{mL}$ จะได้ว่า

$$M_2 = \frac{M_1 V_1}{V_2} = \frac{(1.50)(100)}{300} = 0.50\ \mathrm{M}$$

ความเข้มข้นลดลง เพราะตัวถูกละลายในปริมาณเท่าเดิมถูกกระจายอยู่ในปริมาตรสุดท้ายที่มากขึ้น

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในโจทย์ความเข้มข้น

ใช้มวลของสารละลายแทนโมแลลิตี

โมแลลิตีใช้กิโลกรัมของตัวทำละลาย ไม่ใช่กิโลกรัมของสารละลาย

ใช้ปริมาตรของตัวทำละลายแทนโมลาริตี

โมลาริตีใช้ปริมาตรสุดท้ายของสารละลายทั้งหมด

ใช้ $M_1 V_1 = M_2 V_2$ ในสถานการณ์ที่ไม่ถูกต้อง

ทางลัดนี้ใช้สำหรับการเจือจางของตัวถูกละลายชนิดเดิมเมื่อจำนวนโมลคงที่เท่านั้น ใช้ไม่ได้ถ้ามีปฏิกิริยาที่ทำให้ปริมาณตัวถูกละลายเปลี่ยนไป

มองว่าโมลาริตีกับโมแลลิตีใช้แทนกันได้

ทั้งสองอธิบายความเข้มข้นคนละแบบ ในบางกรณีที่เจือจางมาก ตัวเลขอาจใกล้กัน แต่คำนิยามยังคงต่างกัน

เมื่อนักเคมีใช้โมลาริตีหรือโมแลลิตี

โมลาริตีพบได้บ่อยในการเตรียมสารในห้องปฏิบัติการ การไทเทรต และสโตอิชิโอเมทรีของสารละลาย เพราะปริมาตรวัดได้ง่ายด้วยขวดวัดปริมาตรและปิเปต

โมแลลิตีมีประโยชน์เป็นพิเศษในหัวข้ออย่างสมบัติคอลลิเกทีฟ ซึ่งการวัดความเข้มข้นแบบอิงมวลมักสะดวกกว่า

เช็กเร็ว ๆ ก่อนทำเสร็จ

ถามตัวเอง 3 ข้อ:

1. ฉันใช้จำนวนโมลของตัวถูกละลายหรือไม่?
2. ฉันใช้ลิตรของสารละลายสำหรับโมลาริตี หรือกิโลกรัมของตัวทำละลายสำหรับโมแลลิตีหรือไม่?
3. ถ้าฉันใช้สมการการเจือจาง ปริมาณตัวถูกละลายคงที่จริงหรือไม่?

ลองทำในแบบของคุณเอง

เปลี่ยนตัวอย่างที่ทำไปแล้ว โดยให้กลูโคส $0.300$ โมลเดิม ถูกเตรียมให้มีปริมาตรเป็น $1.20\ \mathrm{L}$ แทน $600\ \mathrm{mL}$ คำนวณโมลาริตีใหม่ แล้วตรวจดูว่าโมแลลิตีเปลี่ยนหรือไม่ภายใต้เงื่อนไขใหม่นี้ นี่เป็นวิธีที่ดีในการทดสอบว่าคุณเข้าใจจริงหรือไม่ว่าแต่ละนิยามใช้ตัวส่วนอะไร