五室下午第3组 物质含量的表示方式及适用场合

物质含量的表示方式及适用场合
2015.12.5
刘行云张文李生振刘昊宇潘勋韩畅
口腔医学院
一、摘要
本文总结了有关物质含量的表示方法，并结合实验讨论了各个方法的适用场合。

物质含量的常用表示法有质量分数、质量比、体积分数、体积比、摩尔分数、摩尔比、质量摩尔浓度、质量体积浓度、物质的量浓度、ppm和ppb。

由于称量方法不同，当涉及到固体时，常用和质量有关、和体积无关的表示法；涉及到气体液体时常用和体积有关、和质量无关的表示法；而和物质的量有关的表示法往往都适用；微量成分常用ppm和ppb。

二、前言
1、含量与浓度
含量是用于定性描述混合物组成的一个大概念,它没有物理量的确切定义,但包括了表示物质含量和成分的所有量。

这一概念与人们熟知的“浓度”的概念很相似。

浓度是物理化学领域中的一个物理量,规定了组分的相对量。

《辞海》(上海辞书出版社,1989年版)中对浓度作了这样的定义:表达溶液中溶剂与溶质存在相对量的一种数量标记。

该词条还列出了浓度常用的4种表示方法:①以溶质和溶剂的质量比值表示的浓度;②摩尔分数;③质量摩尔浓度;④物质的量浓度,亦称物质的浓度。

美国麦格劳·希尔图书公司(McGraw·Hill)出版的《科学技术百科全书》则列举了3种浓度的标度(concent-ration scales):①百分比浓度:a)质量百分比浓度,常用于医药溶液,如or%的盐水;b)体积百分比浓度,气体混合物难以称重,常表示为体积百分数,如空气含氮78%,液体溶于液体的溶液(如酒精),也可用体积百分数表示。

②体积摩尔浓度,每升溶液中溶质的摩尔数，mol/L。

③质量摩尔浓度,每千克溶液中溶质的摩尔数(mol/kg)。

[1]
2、混合分散体系及溶液
把一种或几种物质分散在另一种物质中就构成分散体系。

其中：被分散的物质称为分散相或分散质；另一种物质称为分散介质或分散剂。

分散质及分散剂都可以是气相或液相或固相。

按照分散相和分散介质的状态可分为多种不同体系。

溶液是由至少两种物质组成的均一、稳定的混合物，被分散的物质（溶质）以分子或更小的质点的形式分散于另一物质（溶剂）中。

其中，溶质相当于分散质，溶剂相当于分散剂。

溶液可以是气相、液相、固相，通常情况下指的是液相。

3、实验十相关的含量表示
在实验十中，我们用到的涉及到含量表示方法的物质有：0.02mg/mL的Fe3+标准液，1 mol/dm-3的HCl溶液，25%KSCN溶液。

而最终得出的Fe3+含量是用ppm来表示的。

三、内容
1、物质含量的表示方式
1.1 “分数”表示法
1.1.1质量分数
质量分数为分散质的质量与分散剂总质量之比。

符号为ω，量纲为1，也可用mg/g，g/kg等单位。

可用分数或百分数表示，用百分数表示时也称为质量百分浓度。

1.1.2 摩尔分数或物质的量分数
体系中的一种物质的摩尔数与各组分的总摩尔数之比，即为该组分的摩尔分数，符号为x，量纲为1，也可用mmol/mol等单位。

可用分数或百分数表示。

无论体系由多少种物质组成，其摩尔分数之和总是等于1，及分散质和分散剂摩尔分数之和为1，或100%。

1.1.3 体积分数
相同温度、压力下，混合体系中某组分混合前的体积和混合前各组分的体积总和之比，称为某组分的体积分数。

符号为φ，量纲为1，也可用mL/L，cm3/dm3等单位。

可用分数或百分数表示。

1.2 “比”表示法
与“分数”表示法类似，但是是混合物中各成分的同类量之比，而不是与总量之比。

常用的有摩尔比r，质量比ξ和体积比ψ。

需要注意的是正确的规范的表达应为：N，P，K的质量比为2∶1∶2，或写成ξ(N∶P∶K)=2∶1∶2。

不能直接写N∶P∶K=2∶1∶2，表意不明。

[2]
1.3 “浓度”表示法
1.3.1质量摩尔浓度
质量摩尔浓度为分散质的物质的量除以分散剂的质量。

符号为m，单位为mol/kg，mol/g等。

1.3.2物质的量浓度
简称浓度（曾称摩尔浓度），是分散质的物质的量除以分散体系的总体积，即体系的单位体积中所含某组分的物质的量。

符号为c，单位为mol/L（或mol/dm3），mmol/L等。

1.3.3 质量体积浓度
体系的单位体积中所含分散质的质量。

符号为ρ，单位为g/L，mg/L，mg/mL等。

1.4 ppm和ppb
微量成分的浓度过去常用ppm（10-6，百万分之一）或ppb（10-9，十亿分之一）来表示，可以指质量，也可以指物质的量，有时也指体积。

但是按IUPAC的现行规定，ppm和ppb不应再使用。

其理由是，这个概念存在模糊之处：①指质量比还是体积比，不明确；②ppb中的billion在欧洲表示1012，而在美国则表示109。

[3]
2、适用场合
2.1根据分散质及分散剂的状态
常用的混合体系有气-液、液-液、固-液、气-气、固-固。

由于不同状态的物质称量方法不同，常用的含量表示法也不同。

而由于体积、质量都可以转为物质的量，因此通常情况下摩尔分数和摩尔比适用于各种状态的体系。

2.1.1 气-液混合体系
气体无法简易的称量出重量，但可用排水法等方法测出体积，因此通常用和质量无关、和体积有关的含量表示方法，如体积分数、体积比、物质的量浓度等。

2.1.2液-液混合体系
由于用天平或台秤来称量液体很不方便，因此涉及到质量的含量表示法，如质量分数、质量比、质量摩尔浓度等不适用于这种体系。

实验室里经常用量筒或容量瓶等来度量液体体积，可以用和体积有关的含量表示方法，如体积分数、体积比、物质的量浓度等。

2.1.3 固-液混合体系
固体物质通常形状都不规则，无法测量或计算出其体积，而液体又不方便测量质量。

所以一般用质量体积分数、质量摩尔浓度、摩尔分数、摩尔比来表示。

有时候也用质量分数、质量比来表示，但一般不会用到体积分数和体积比。

2.1.4 气-气混合体系
通常用体积分数、体积比、物质的量浓度来表示。

2.1.5 固-固混合体系
通常用质量分数、质量比、质量摩尔浓度来表示。

2.2 根据溶液配制方法
溶液配制方法大致可以分为用固体试剂配臵、用液体试剂配臵、用气体试剂配臵、稀释等方法。

大部分都和2.1中根据体系中物质状态不同而划分的含量表示方法一样，需要注意的是其中用固体试剂配臵又可分为固体溶于单一的液体、固体溶于混合液体的含量表示方法的不同。

2.2.1 固体溶质溶于单一的液体溶剂
固体一般用质量表示，液体一般用体积表示，因此一般用质量体积浓度表示。

而单一的液体试剂测出体积后可以根据密度来算出其质量，因此也可以用质量分数、质量比、物质的量浓度来表示。

如本实验中用到的25%的KSCN溶液，是用质量分数来表示物质含量的。

2.2.2 固体溶质溶于混合的液体溶剂
如本实验中用到的0.02mg/mL的Fe3+标准液，由于Fe3+在溶液中易水解，所以一般配臵过程中除用水溶解Fe3+晶体外，还应加入酸来抑制其水解。

此时，溶剂并非单一的液体，不能根据密度算出其质量，因此无法用质量分数来表示物质含量，用的是质量体积浓度。

此种情况下还可用质量摩尔浓度表示。

2.2.3 其他
一般地，“比”表示法适用于几种反应试剂的量固定，且不用经过稀释、定容等步骤的配臵方法。

而“分数”表示法、“浓度”表示法适用于需要经过稀释、定容，知道配臵后体系总量以及其中某种物质的量的配制方法。

2.3 微量成分
为了数值表示的简易方便，微量成分一般用ppm和ppb来表示。

这种表示方法比较灵活，对气态混合体系常指物质的量或体积，对液态体系则往往指质量。

[3] 3、各种表示方法的优点
在化学反应中物质的质量比是复杂的，但其间物质的量之比是简单的，所以用摩尔分数、摩尔比来表示含量可以和化学反应直接联系起来。

用质量或物质的来表示含量的方法优点是浓度数值不随温度变化，缺点是液体的质量称量起来不方便。

用体积相关的含量表示方法优点是方便表示液体、气体的量，缺点是溶液密度或体积随温度略有变化。

四、结论
含量的表示方法多种多样，它们之间都可互相换算，可以根据需要选择最合适的表示方法。

五、参考文献
[1] 赵红艳等. 浅谈科技期刊中表示物质含量和成分的量及其单位[J]. 学报编辑论丛, 1998年第7期
[2] 周游. 含量的定义及表示方法[N]. 金属矿山, 2010年第32期
[3] 高松. 普通化学[M]. 北京大学出版社, 2013年
六、小组分工。