3.5: Vitengo vingine vya viwango vya ufumbuzi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza vitengo vya ukolezi wa asilimia ya molekuli, asilimia ya kiasi, asilimia ya wingi, sehemu-kwa-milioni (ppm), na sehemu kwa kila bilioni (ppb)
• Fanya hesabu zinazohusiana na mkusanyiko wa suluhisho na kiasi cha vipengele vyake na/au raia kwa kutumia vitengo hivi

Sehemu iliyopita ilianzisha molarity, kitengo muhimu sana cha kupima kwa kutathmini mkusanyiko wa ufumbuzi. Hata hivyo, molarity ni kipimo kimoja tu cha ukolezi. Sehemu hii kuelezea baadhi ya vitengo vingine ya ukolezi kwamba ni kawaida kutumika katika maombi mbalimbali, ama kwa urahisi au kwa mkataba.

Asilimia ya Misa

Mapema katika sura hii, utungaji wa asilimia ulianzishwa kama kipimo cha kiasi cha jamaa cha kipengele kilichopewa katika kiwanja. Asilimia pia hutumiwa kuelezea muundo wa mchanganyiko, ikiwa ni pamoja na ufumbuzi. Asilimia kubwa ya sehemu ya suluhisho hufafanuliwa kama uwiano wa wingi wa sehemu kwa wingi wa suluhisho, umeelezwa kama asilimia:

$$\text{asilimia ya molekuli}=\frac{\text{molekuli ya sehemu}}{\text{molekuli ya suluhisho}}\times 100\%$$

Asilimia Misa pia inajulikana kwa majina sawa kama vile asilimia wingi, asilimia uzito, uzito/uzito asilimia, na tofauti nyingine juu ya mada hii. Ishara ya kawaida kwa asilimia kubwa ni ishara ya asilimia tu,%, ingawa alama za kina zaidi hutumiwa mara nyingi ikiwa ni pamoja na %umati, %uzito, na (w/w)%. Matumizi ya alama hizi za kina zaidi zinaweza kuzuia machafuko ya asilimia ya wingi na aina nyingine za asilimia, kama vile asilimia kiasi (kujadiliwa baadaye katika sehemu hii).

Asilimia ya misa ni vitengo vya ukolezi maarufu kwa bidhaa za walaji. Lebo ya chupa ya kawaida ya kioevu ya bleach (Kielelezo 3.17) inasema mkusanyiko wa viungo vyake vya kazi, hypochlorite ya sodiamu (NaOCl), kama 7.4%. Sampuli ya 100.0-g ya bleach ingekuwa na 7.4 g ya NaoCl.

Kielelezo 3.17 Bleach ya maji machafu ni suluhisho la maji ya hypochlorite ya sodiamu (NaOCl). Brand hii ina mkusanyiko wa NaOCl 7.4% kwa wingi.

Mfano 3.22

Mahesabu ya Asilimia kwa Misa

Sampuli ya 5.0-g ya maji ya mgongo ina 3.75 mg (0.00375 g) ya glucose. Ni asilimia gani kwa wingi wa glucose katika maji ya mgongo?

Suluhisho

Sampuli ya maji ya mgongo ina takribani 4 mg ya glucose katika 5000 mg ya maji, hivyo sehemu kubwa ya glucose inapaswa kuwa kidogo chini ya sehemu moja katika 1000, au kuhusu 0.1%. Kubadilisha raia waliopewa katika equation kufafanua mavuno ya asilimia molekuli:

$$\%\text{glukosi}=\frac{3.75\text{mg glucose}\times \frac{1\text{g}}{1000\text{mg}}}{5.0\text{g ugiligili wa mgongo}}=0.075\%$$

Asilimia ya molekuli iliyohesabiwa inakubaliana na makadirio yetu mabaya (ni kidogo chini ya 0.1%).

Kumbuka kuwa wakati kitengo chochote cha molekuli kinaweza kutumika kukokotoa asilimia ya wingi (mg, g, kg, oz, na kadhalika), kitengo hicho kinatakiwa kutumika kwa solute na suluhisho ili vitengo vya wingi kufuta, kutoa uwiano usio na kipimo. Katika kesi hiyo, kitengo cha molekuli cha solute katika nambari kilibadilishwa kutoka mg hadi g ili kufanana na vitengo katika denominator. Vinginevyo, kitengo cha molekuli ya maji ya mgongo katika denominator kingeweza kubadilishwa kutoka g hadi mg badala yake. Kwa muda mrefu kama vitengo vya molekuli vinavyofanana vinatumiwa kwa solute na suluhisho, asilimia ya molekuli ya computed itakuwa sahihi.

Angalia Kujifunza Yako

Chupa ya utakaso wa tile ina 135 g ya HCl na 775 g ya maji. Ni asilimia gani kwa wingi wa HCl katika utakaso huu?

Jibu:

14.8%

Mfano 3.23

Mahesabu kwa kutumia Asilimia Misa

“Kujilimbikizia” asidi hidrokloriki ni suluhisho la maji ya 37.2% HCl ambayo hutumiwa kama reagent ya maabara. Uzito wa suluhisho hili ni 1.19 g/ml. Ni kiasi gani cha HCl kilichomo katika 0.500 L ya suluhisho hili?

Suluhisho

Mkusanyiko wa HCl ni karibu 40%, hivyo sehemu ya 100-g ya suluhisho hili ingekuwa na 40 g ya HCl. Kwa kuwa wiani wa suluhisho sio tofauti sana na ule wa maji (1 g/ml), makadirio ya busara ya molekuli ya HCl katika 500 g (0.5 L) ya suluhisho ni karibu mara tano zaidi kuliko ile katika sehemu 100 g, au 5$\times$40 = 200 g Ili kupata wingi wa solute katika suluhisho kutoka asilimia yake ya wingi, umati wa suluhisho lazima ujulikane. Kutumia wiani wa suluhisho uliotolewa, kubadilisha kiasi cha suluhisho kwa wingi, na kisha utumie asilimia ya molekuli iliyotolewa ili kuhesabu molekuli ya solute. Mbinu hii ya hisabati imeainishwa katika chati hii:

Kwa kufuta kitengo sahihi, kiasi cha 0.500-L kinabadilishwa kuwa 500 ml, na asilimia ya wingi huelezwa kama uwiano, 37.2 g Hcl/g ufumbuzi:

$$\text{Suluhisho la 500 ml}\left(\frac{1.19\text{g ufumbuzi}}{\text{Suluhisho la mL}}\right)\left(\frac{37.2\text{g HCl}}{100\text{g ufumbuzi}}\right)=221\text{g HCl}$$

Masi hii ya HCl ni sawa na makadirio yetu mabaya ya takriban 200 g.

Angalia Kujifunza Yako

Ni kiasi gani cha ufumbuzi wa HCl iliyojilimbikizia ina 125 g ya HCl?

Jibu:

282 ml

Kiasi Asilimia

Kiasi cha maji ya juu ya ukubwa mbalimbali hupimwa kwa urahisi kwa kutumia vifaa vya kawaida na vya gharama nafuu vya maabara. Mkusanyiko wa suluhisho linaloundwa na kufuta solute ya kioevu katika kutengenezea kioevu mara nyingi huonyeshwa kama asilimia ya kiasi, %vol au (v/v)%:

$$\text{asilimia ya kiasi}=\frac{\text{kiasi solute}}{\text{ufumbuzi wa kiasi}}\times 100\%$$

Mfano 3.24

Mahesabu kwa kutumia Asilimia Volume

Kunywa pombe (isopropanol) mara nyingi huuzwa kama suluhisho la maji ya vol 70%. Ikiwa wiani wa pombe ya isopropyl ni 0.785 g/ml, ni gramu ngapi za pombe ya isopropyl zilizopo kwenye chupa ya 355 ml ya kunywa pombe?

Suluhisho

Kwa ufafanuzi wa asilimia ya kiasi, kiasi cha isopropanol ni 70% ya jumla ya kiasi cha suluhisho. Kuzidisha kiasi cha isopropanol kwa wiani wake huzalisha wingi ulioombwa:

$$\left(355\text{Suluhisho la mL}\right)\left(\frac{70\text{mL isopropyl pombe}}{100\text{Suluhisho la mL}}\right)\left(\frac{0.785\text{g pombe ya isopropyl}}{1\text{mL isopropyl pombe}}\right)=195\text{g isopropyl pombe}$$

Angalia Kujifunza Yako

Mvinyo ni takriban 12% ethanol (CH ₃ CH ₂ OH) kwa kiasi. Ethanol ina molekuli ya molar ya 46.06 g/mol na wiani 0.789 g/ml. Ni moles ngapi za ethanol zilizopo katika chupa ya divai ya 750-ml?

Jibu:

1.5 mol ethanol

Asilimia ya Misa ya Kiasi

“Mchanganyiko” vitengo vya asilimia, vinavyotokana na wingi wa solute na kiasi cha suluhisho, vinajulikana kwa matumizi fulani ya biochemical na matibabu. Asilimia ya kiasi kikubwa ni uwiano wa molekuli ya solute kwa kiasi cha suluhisho kilichoonyeshwa kama asilimia. Vitengo maalum vinavyotumiwa kwa wingi wa solute na kiasi cha suluhisho vinaweza kutofautiana, kulingana na suluhisho. Kwa mfano, ufumbuzi wa chumvi ya kisaikolojia, uliotumiwa kuandaa maji ya ndani, una mkusanyiko wa 0.9% ya molekuli/kiasi (m/v), kuonyesha kuwa muundo ni 0.9 g ya solute kwa 100 ml ya suluhisho. Mkusanyiko wa glucose katika damu (kawaida inajulikana kama “sukari ya damu”) pia huelezwa kwa suala la uwiano wa wingi. Ingawa si walionyesha wazi kama asilimia, mkusanyiko wake ni kawaida kutolewa katika miligramu ya glucose kwa deciliter (100 ml) ya damu (Kielelezo 3.18).

Kielelezo 3.18 “Mchanganyiko” vitengo vya wingi wa kawaida hukutana katika mazingira ya matibabu. (a) Mkusanyiko wa NaCl wa salini ya kisaikolojia ni 0.9% (m/v). (b) Kifaa hiki hupima viwango vya glucose katika sampuli ya damu. Aina ya kawaida ya ukolezi wa glucose katika damu (kufunga) ni karibu 70—100 mg/DL. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na “Walinzi wa Taifa” /Flickr; mikopo b: mabadiliko ya kazi na Biswarup Ganguly)

Sehemu kwa Milioni na Sehemu kwa Bilioni

Viwango vya chini sana vya solute huonyeshwa mara nyingi kwa kutumia vitengo vidogo vilivyofaa kama sehemu kwa milioni (ppm) au sehemu kwa bilioni (ppb). Kama asilimia (“sehemu kwa mia”) vitengo, ppm na ppb inaweza kuelezwa katika suala la raia, kiasi, au mchanganyiko wingi kiasi vitengo. Kuna pia vitengo vya ppm na ppb vinavyofafanuliwa kuhusiana na idadi ya atomi na molekuli.

Ufafanuzi wa wingi wa ppm na ppb hutolewa hapa:

$$\begin{array}{l}\\ \text{ppm}=\frac{\text{molekuli solute}}{\text{ufumbuzi wa molekuli}}\times {10}^6\text{ppm}\\ \text{ppb}=\frac{\text{molekuli solute}}{\text{ufumbuzi wa molekuli}}\times {10}^9\text{ppb}\end{array}$$

Wote ppm na ppb ni vitengo rahisi kwa kuripoti viwango vya uchafuzi na uchafu mwingine wa kufuatilia katika maji. Viwango vya uchafuzi huu ni kawaida chini sana katika maji ya kutibiwa na asili, na viwango vyao haviwezi kuzidi vizingiti vya ukolezi mdogo bila kusababisha athari mbaya kwa afya na wanyamapori. Kwa mfano, EPA imetambua kiwango cha juu cha salama cha ion ya fluoride katika maji ya bomba kuwa 4 ppm. Filters za maji ya ndani zimeundwa ili kupunguza mkusanyiko wa fluoride na uchafu mwingine wa kiwango cha kufuatilia katika maji ya bomba (Mchoro 3.19).

Kielelezo 3.19 (a) Katika maeneo mengine, viwango vya kiwango cha uchafu vinaweza kutoa maji ya bomba yasiyosafishwa salama kwa kunywa na kupika. (b) Filters za maji ya ndani hupunguza mkusanyiko wa solutes katika maji ya bomba. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Jenn Durfey; mikopo b: mabadiliko ya kazi na “vastateparkstaff” /Wikimedia commons)

Mfano 3.25

Uhesabuji wa Sehemu kwa Milioni na Sehemu kwa Bilioni Viwango

Kwa mujibu wa EPA, wakati mkusanyiko wa risasi katika maji ya bomba unafikia 15 ppb, hatua fulani za kurekebisha lazima zichukuliwe. Je! Hii ni mkusanyiko gani katika ppm? Katika mkusanyiko huu, ni wingi gani wa risasi (μg) ungekuwa katika glasi ya kawaida ya maji (300 ml)?

Suluhisho

Ufafanuzi wa vitengo vya ppm na ppb inaweza kutumika kubadili mkusanyiko uliotolewa kutoka ppb hadi ppm. Kulinganisha ufafanuzi huu wa kitengo mbili unaonyesha kwamba ppm ni mara 1000 zaidi kuliko ppb (1 ppm = 10 ³ ppb). Hivyo:

$$15\text{ppb}\times \frac{1\text{ppm}}{{10}^3\text{ppb}}=0.015\text{ppm}$$

Ufafanuzi wa kitengo cha ppb inaweza kutumika kuhesabu molekuli iliyoombwa ikiwa wingi wa suluhisho hutolewa. Kwa kuwa kiasi cha suluhisho (300 ml) kinatolewa, wiani wake lazima utumike kupata molekuli inayofanana. Fikiria wiani wa maji ya bomba kuwa sawa na ile ya maji safi (~1.00 g/ml), kwani viwango vya vitu vyenye kufutwa haipaswi kuwa kubwa sana. Kupanga upya equation kufafanua kitengo cha ppb na kubadilisha kiasi kilichopewa mavuno:

$$\begin{array}{c}\\ \text{ppb}=\frac{\text{molekuli solute}}{\text{ufumbuzi wa molekuli}}\times {10}^9\text{ppb}\\ \\ \text{molekuli solute}=\frac{\text{ppb}\times \text{ufumbuzi wa molekuli}}{{10}^9\text{ppb}}\\ \\ \text{molekuli solute}=\frac{15\text{ppb}\times 300\text{mL}\times \frac{1.00\text{g}}{\text{mL}}}{{10}^9\text{ppb}}=4.5\times {10}^{-6}\text{g}\end{array}$$

Hatimaye, kubadilisha molekuli hii kwa kitengo kilichoombwa cha micrograms:

$$4.5\times {10}^{-6}\text{g}\times \frac{1\text{μg}}{{10}^{-6}\text{g}}=4.5\text{μg}$$

Angalia Kujifunza Yako

Sampuli ya 50.0-g ya maji machafu ya viwanda iliamua kuwa na 0.48 mg ya zebaki. Eleza mkusanyiko wa zebaki wa maji machafu katika vitengo vya ppm na ppb.

Jibu:

9.6 ppm, 9600 ppb