Stężenie procentowe

Stężenie procentowe – jeden ze sposobów wyrażenia stężenia substancji w mieszaninie (najczęściej w roztworze), poprzez przedstawienie odpowiedniego stosunku (np. ułamka masowego) w postaci procentowej. Przeważnie terminu „stężenie procentowe” bez żadnego dookreślenia używa się w znaczeniu stężenia procentowego masowego, jako że jest ono najczęściej stosowane. W przypadku innych rodzajów stężeń procentowych konieczne jest już użycie odpowiedniego określenia jak np. „objętościowe”^[1] bądź oznaczenia („% m/V”, „% V/V”)^[a][2]. Jednakże zgodnie z zaleceniami Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO) i Międzynarodowej Unii Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) preferowane jest stosowanie jednostek zamiast symbolu procenta^[3].

Zobacz hasło stężenie procentowe w Wikisłowniku

Nie należy również mylić stężeń procentowych z tymi, w których nie występuje określenie „procentowy”, tj. przykładowo stężenie masowe nie jest stężeniem procentowym masowym tylko stężeniem masowo-objętościowym (stosunkiem masy składnika do objętości roztworu).

Rodzaje stężeń procentowych

Stężenie procentowe masowe

Zobacz hasło stężenie procentowe masowe w Wikisłowniku

Stężenie procentowe masowe (stężenie procentowe wagowe, procent masowy, procent wagowy) jest ułamkiem masowym, a więc stosunkiem masy substancji do masy całego roztworu (podanych w tej samej jednostce), wyrażonym w postaci procentowej:

${\displaystyle C_{A}={\frac {m_{A}}{m}}\cdot 100\%}$

gdzie:

• ${\displaystyle C_{A}}$ – stężenie procentowe masowe składnika A,
• ${\displaystyle m_{A}}$ – masa składnika A,
• ${\displaystyle m}$ – masa mieszaniny (roztworu).

W przypadku roztworu jednoskładnikowego można zapisać również:

${\displaystyle C_{A}={\frac {m_{A}}{m_{A}+m_{rozp}}}\cdot 100\%}$

gdzie:

• ${\displaystyle m_{rozp}}$ – masa rozpuszczalnika.

Można również stężenie procentowe zdefiniować jako liczbę gramów substancji znajdujących się w 100 g mieszaniny. Stąd przykładowo w 100 g 20-procentowego roztworu chlorku sodu rozpuszczonych będzie 20 g tej substancji^[4][5]. Stężenia procentowe masowe podaje się czasem z dodatkowym symbolem, aby jednoznacznie wskazać rodzaj stężenia procentowego, np. „% mas.”, „% wag.”, „% (w/w)” bądź „% (m/m)”^[a][4][6]. Symbole te są jednak zwykle pomijane, gdyż stężenie procentowe masowe jest najczęściej stosowanym^[7]. Stężenie procentowe masowe jest niezależne od temperatury, gdyż nie wpływa ona na zmiany masy substancji i roztworu^[1].

Stężenie procentowe objętościowe

Zobacz hasło stężenie procentowe objętościowe w Wikisłowniku

W przeciwieństwie do stężenia procentowego masowego, w większości źródeł stężenie procentowe objętościowe (procent objętościowy) nie jest związane z ułamkiem objętościowym, a określone jako wyrażony w procentach stosunek objętości składnika do objętości otrzymanego roztworu po zmieszaniu^[b][6][8]:

${\displaystyle C_{A}={\frac {V_{A}}{V}}\cdot 100\%}$

gdzie:

• ${\displaystyle C_{A}}$ – stężenie procentowe objętościowe składnika A,
• ${\displaystyle V_{A}}$ – objętość składnika A,
• ${\displaystyle V}$ – objętość roztworu.

Objętość mieszaniny nie jest sumą objętości wszystkich składników (jest tak tylko w przypadku roztworów idealnych, dla których nie zachodzi zjawisko kontrakcji objętości). Ponadto objętości substancji i roztworu są zależne od ciśnienia i temperatury, dlatego powinny być mierzone w tych samych warunkach^[4].

Stężenie procentowe objętościowe można inaczej zdefiniować jako liczbę jednostek objętości (np. cm³ bądź litrów) substancji zawartych w 100 jednostkach objętości roztworu^[5]. Dla tego rodzaju stężenia konieczne jest dodawanie odpowiedniego symbolu, np. „% obj.” bądź „% (V/V)” bądź „vol%”^[a], aby jednoznacznie wskazać rodzaj stężenia^[1][4][5]. Dla wyrobów spirytusowych stosuje się czasem symbol stopnia „°”^[9]. Procent objętościowy stosowany może być głównie do wyrażania składu roztworów ciekłych^[5][6] (w tym napojów alkoholowych) bądź gazowych^[4].

Stężenie procentowe masowo-objętościowe

Wyrażone w procentach stężenie masowe (stosunek masy substancji do objętości roztworu) nazywane jest stężeniem procentowym masowo-objętościowym (procentem masowo-objętościowym). Oznaczane jest symbolem „% m/V”^[a] i określa liczbę części masowych substancji przypadających na 100 części objętościowych mieszaniny, przy czym najczęściej stężenie to wyrażane jest liczbą gramów substancji przypadającą na 100 ml roztworu. Stąd 0,9% m/V roztwór chlorku sodu (roztwór soli fizjologicznej) będzie zawierał 0,9 g NaCl w 100 ml roztworu^[c][5][7]. Zapis taki jest jednak nieprawidłowy z uwagi na to, że stężenie masowe jest wielkością mianowaną, a przy pomocy procentów wyraża się jedynie wartości bezwymiarowe. Dlatego też stężenie masowe powinno być wyrażane poprzez jednostkę, a nie procent masowo-objętościowy (% m/V)^[2].

Stosowane głównie dla roztworów ciał stałych w cieczy (zwłaszcza w przypadkach, gdy roztwór zawiera niewielką ilość rozpuszczonej substancji), m.in. w medycynie do wyznaczania stężenia leków do podania dożylnego^[7].

Stężenie procentowe objętościowo-masowe

Rzadko spotykanym rodzajem stężenia procentowego jest stężenie procentowe objętościowo-masowe (procent objętościowo-masowy). Wyraża się je poprzez stosunek objętości składnika mieszaniny (w mililitrach) do 100 jednostek masy roztworu (100 gramów). Stężenie takie oznaczane jest symbolem „% V/m”^[a][5], jednak zapis taki (podobnie jak w przypadku stężenia procentowego masowo-objętościowego) jest niepoprawny^[2].

Stężenie procentowe molowe

Zobacz hasło stężenie procentowe molowe w Wikisłowniku

Stężenie procentowe molowe (procent molowy) jest ułamkiem molowym (stosunkiem liczby moli substancji do liczby moli wszystkich składników roztworu) wyrażonym w procentach:

${\displaystyle C_{A}={\frac {n_{A}}{n}}\cdot 100\%}$

gdzie:

• ${\displaystyle C_{A}}$ – stężenie procentowe molowe składnika A,
• ${\displaystyle n_{A}}$ – liczba moli składnika A,
• ${\displaystyle n}$ – liczba moli wszystkich składników mieszaniny.

Tak otrzymane stężenie oznacza się symbolem „% mol.”^[4] bądź „% (n/n)”^[a]. Nie należy mylić go ze stężeniem molowym, będącym stosunkiem liczby moli składnika do objętości roztworu.

Stężenia wyższe niż 100%

W praktyce przyjmuje się czasem wartości stężeń substancji wyższe niż 100%. Podczas przemysłowego otrzymywania kwasu siarkowego, tritlenek siarki jest absorbowany w stężonym kwasie tworząc roztwór SO
3 w H
2SO
4 (oleum). Stężenie oleum może być wyrażone jako procent masowy SO
3 w H
2SO
4 bądź też procent masowy H
2SO
4, który będzie formalnie wyższy niż 100%^[10][11]. Przykładowo 40% oleum odpowiada 109% kwas siarkowy. Wartość ta informuje o ilości wody jaką trzeba dodać, aby otrzymać 100% kwas siarkowy, tj. do 109% kwasu siarkowego należy dodać 9% wody. Stężenia oleum i kwasu siarkowego mogą być przeliczane z zależności^[12][13]:

${\displaystyle C_{kwasu}=100\%+{\frac {18}{80}}\cdot C_{oleum}}$

gdzie:

• ${\displaystyle C_{kwasu}}$ – stężenie procentowe masowe kwasu siarkowego,
• ${\displaystyle C_{oleum}}$ – stężenie procentowe masowe oleum.

Uwagi

1. Stosowanie oznaczeń typu „% m/V”, „% obj.” jest powszechne, jednak niezalecane w polskich normach (Cygański 1999 ↓ ) i przez różne organizacje, m.in. Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO) oraz Międzynarodową Unię Chemii Czystej i Stosowanej (IUPAC) (Green Book 2008 ↓, s. 97–98).
2. Ułamek objętościowy zgodnie z definicją IUPAC oznacza stosunek objętości składnika do sumy objętości wszystkich składników przed ich zmieszaniem. Zdarzają się jednak przypadki, w których podawana jest definicja ułamka objętościowego niezgodna z definicją IUPAC w postaci stosunku objętości składnika do objętości całego roztworu po zmieszaniu (por. np. Minczewski i Marczenko 2001 ↓, s. 53, Cygański 1999 ↓, s. 85). Jednocześnie istnieje możliwość, w której to ułamek objętościowy zgodny z definicją IUPAC wyrażony może być w postaci procentowej, co bez dodatkowego kontekstu może wprowadzać w błąd i sugerować wartość uzyskaną z wykorzystaniem objętości roztworu po zmieszaniu.
3. Chociaż powszechnie oznaczenia „% m/V” używa się do wyrażenia liczby gramów substancji zawartych w 100 ml roztworu (g/100 ml), to w poszczególnych przypadkach (w zależności od zastosowanej przez danego autora konwencji) oznaczenie to może wyrażać również inne wielokrotności bądź podwielokrotności jednostek masy i objętości, np. mg/100 ml.