Lecture #2 Units of Concentration.ppt

EnvironmentalEngineeringPrinciples Lecture 2EnvironmentalChemistryI UnitsofConcentration Updated 31Oct 2012 MainContents UnitsMassbasedMolarityMolalityNormalityMolefractionAtmospheres ChemicalStoichiometrymassbalancebalancingequationsThermodynamicslawofmassactiontypesofequilibria UnitsofConcentration 例如 氨的水溶液的浓度 氨的物质的量 溶液的物质的量 SIUnitprefixes small SIUnitprefixes Large MassBasedConcentrationUnits Solidsamples Liquidsamples DensityofWaterat5 C 在水处理中 污水中的污染物浓度一般较低 1L污水的质量可以近似认为等于1000g 所以实际应用中 常常将质量浓度和质量分数加以换算 即1mg L相当于1mg 1000g 1 10 6 质量分数 1ppm1 g L相当于1 g 1000g 1 10 9 质量分数 1ppb 当污染物的浓度过高 导致污水的密度发生变化时 上两式应加以修正 即1mg L 1 10 6 混合物的密度 质量分数 1 g L 1 10 9 混合物的密度 质量分数 在水处理中 NO3 浓度可以用两种表示方式 1 NO3 浓度表示 2 NO3 N表示例如 某地下水中含有20mg L的NO3 若将其转换为NO3 N表示 则 也可以将水中的SO42 表示为 也可以表示为SO42 浓度 也可表示为SO42 S mg L 方法同上 Gassamples compressible CouldbeconvertedtoappmmbasisButthiswouldchangeaswecompress 压缩 theairsampleCouldalsobeconvertedtoappmvbasisIndependentofdegreeofcompressionButnowweneedtoconvertmassofozonetovolumeofozone 在大气污染控制工程中 常用体积分数表示污染物质的浓度 例如mL m3 则此气态污染物质浓度为10 6 1mol任何理想气体在相同的压强和温度下有着同样的体积 因此可以用体积分数表示污染物质的浓度 在实际应用中非常方便 同时 该单位的最大优点是与温度 压力无关 例如 10 6 体积分数 表示每106体积空气中有1体积的污染物 这等价于每106mol空气中有1mol污染物质 又因为任何单位物质的量的物质有着相同数量的分子 10 6 体积分数 也就相当于每106个空气分子中有1个污染物分子 IdealGasLaw AnidealgasWilloccupyacertainfixedvolumeasdeterminedby regardlessofthenatureofthegasWhere P pressureV volumen numberofmolesT tempR universalgasconstant 0 08205L atm mole KGFW gramformulaweight 22 4Lat1atm 273 15 K Bydefinition 对于气体 体积分数和质量浓度之间的关系和压力 温度以及污染物质的相对分子质量有关 对于理想气体 可以用理想气体状态方程表示 即 式中 p 绝对压力 Pa VA 体积 m3 nA 物质的量 mol R 摩尔气体常数 8 314Pa m3 K 1 mol 1 T 热力学温度 K 0 082atm L mol K Convertmasstomoles Nowweknowthatozone sformulaisO3Whichmeansitcontains3oxygenatomsThereforetheGFW 3xatomicweightofoxygeningramsor48g molen mass g GFWn 0 056x10 3g 48g mole n 0 00117x10 3moles Nowdetermineppmv Mole volumefractions Basedontheidealgaslaw Thevolumefraction ratioofacomponentgasvolumetothetotalvolume isthesameasthemolefractionofthatcomponentTherefore Andsincethefractionofthetotalisone millionthofthenumberofppm Definedas molefraction Definedas Volumefraction 根据质量浓度的定义 根据理想气体状态方程 体积分数和质量浓度之间的关系 例题 在101 325KPa 25 条件下 某室内空气一氧化碳的体积分数为9 0 10 6 用质量浓度表示一氧化碳的浓度 解 根据理想气体状态方程 1mol空气在101325Pa和25 下的体积为 一氧化碳 CO 的摩尔质量为28g mol 所以CO的质量浓度为 mg m3 Partialpressures Basedontheidealgaslaw Anddefiningthepartialpressure Pi asthepressureacomponentgas i wouldexertifalloftheothercomponentgaseswereremoved Wecanwrite Whichleadsto And and Divideby100andyougetthepartialpressureforatotalpressureof1atm Molarity Onemoleofanysubstancecontains6 02x1023 Avogadro snumber elementarychemicalunits e g molecules分子 Itisveryconvenienttomeasureconcentrationsinmoles sincereactionsconformtothelawofdefiniteproportionswhereintegerratiosofreactantsareconsumed e g 1 1 1 2 etc onbothamolecularandmolarbasis Itiscalculatedby OftenuseM mM M molar millimolar micromolar Torepresent moles L 10 3moles L 10 6moles L 质量浓度与摩尔浓度可以利用下式转换 Normality Equivalents Likemolarity buttakesintoaccountthestoichiometricratiosofreactantsandproductsMeasuredinequivalentsperliterAndZisanintegerrelatedtothenumberofexchangeablehydrogenions orelectronsthechemicalhas oritsoverallcharge 举例 水中SO42 浓度为96 0mg L 用当量浓度表示 Complete wateranalysis HCO3 Cl SO4 2 Ca 2 Mg 2 K Na TotalHardness CarbonateHardness Non carbonateHardness CommonConstituents N P andScontainingcompoundsareoftenexpressedintermsoftheirelementalconcentrationExamples66mgof NH4 2SO4addedto1Lofwater85mgofNaNO3addedto1Lofwater Example ConsiderasolutionofAmmoniumSulfate 硫酸铵 preparedbydissolving66goftheanhydrouscompound 无水化合物 inwateranddilutingto1liter Whatistheconcentrationofthissolutionin a g L b moles L c equivalents L d g Lassulfate e g LasN a 66g Lb Thegramformulaweightofammoniumsulfateis132g mole So Molarity 66g L 132g mole 0 5moles Lor0 5M c Withoutanyspecificinformationregardingtheuseofthissolution onemightsimplypresumethateitherthesulfategrouportheammoniumgroupwillbethereactingspecies Ineithercase Zshouldbeequaltotwo productoftheoxidationstatetimesthenumberofgroups So Normality 0 5moles L 2equivalents mole 1equivalent Lor1 0NorN 1 d TheGFWforsulfateis GFW 32 4 16 96 Themolarityofsulfateis Molarity 0 5moles NH4 2SO4 L 1mole SO4 mole NH4 2SO4 0 5moles SO4 LThen onegets mass L Molarity GFW 0 5moles SO4 L 96g SO4 mole SO4 48g SO4 L e TheGFWfornitrogenissimply14 Themolarityofnitrogenis Molarity 0 5moles NH4 2SO4 L 2moles N mole NH4 2SO4 1mole N LAgain onegets mass L Molarity GFW 1mole N L 14g N mole N 14g N Lor14gNH3 N L pH DefinitionpH log H log H Significancetreatmentsystemscoagulation softening pptofmetals disinfection biologicalprocessesnaturalsystemsmineralformation sorptionresearch Calciumcarbonateunits UsedformajorionconcentrationsindrinkingwatersAlkalinityHardnessSinceCaCO3isdivalent Z 2 anditsGFWis100g itsGEWis50g50g equivalentor50mg meq50 000mg equivalent IonicSubstances离子化合物 P