百分比:每一百份裡有多少
最親切的濃度是百分比——字面意思就是*每一百份裡有多少*。如果一袋生理食鹽水按重量是 0.9% 的鹽,那麼每 100 克溶液裡有 0.9 克是鹽。這就是重量百分比:每 100 克溶液裡溶質的克數。它不需要莫耳質量,也經得起溫度變化,所以在食品和藥品標籤上隨處可見。
要當心指的是哪種百分比。重量比重量(w/w)是克比克;體積比體積(v/v)是毫升比毫升,常用於混合液體;重量比體積(w/v)是每 100 毫升溶液裡溶質的克數。一瓶寫著「5%」的東西,在你弄清是哪種之前都是含糊的。(一個相關卻不同的概念,化合物的百分組成,告訴你化合物自身質量裡每種元素占多大比例——那是分子的性質,與你怎麼配溶液無關。)
當百分比太小:ppm 與 ppb
對於痕量——河水裡的污染物、藥品裡的雜質——百分比會給出像 0.00005% 這樣彆扭的小數。於是我們改去縮小分母的尺度。百萬分率(ppm)是每百萬份裡有幾份:每公斤溶液裡一毫克溶質,對稀水溶液來說方便地約等於每升一毫克。十億分率(ppb)則再細一千倍,用於真正微弱的量。
莫耳分數:按比例數個數
有時你在意的既不是體積也不是質量,而是*粒子的占比*。莫耳分數是某一組分的莫耳數除以體系中所有東西的總莫耳數。如果一份混合物是一莫耳酒精和三莫耳水,酒精的莫耳分數就是 1 ÷ 4 = 0.25。一份混合物裡所有的莫耳分數永遠恰好加起來等於一——這個整潔的性質使它成為氣體混合物和「溶液行為的物理」中的寵兒。
注意莫耳分數根本不需要體積,也不需要讀天平——只要個數。這正是它低調的力量:它是一個純粹的比例,不受溫度影響,也不在乎你選了哪種溶劑,所以凡是混合物的*行為*(怎麼沸騰、怎麼結冰、蒸氣壓怎麼變)取決於粒子占比而非克或毫升的地方,它就會現身。
重量莫耳濃度:不怕溫度的表親
這裡有個微妙卻真實的陷阱。莫耳濃度是每升多少莫耳——而一升液體*受熱會膨脹*。所以一份在 20 ℃ 配的 1.000 M 溶液,到 80 ℃ 就不再恰好是 1.000 M 了,因為同樣的莫耳數現在占了更大的體積。對於溫度會變化的精細工作,我們改用重量莫耳濃度:每公斤溶劑裡溶質的莫耳數。質量不會隨熱膨脹,所以重量莫耳濃度無論溫度怎麼變都紋絲不動。
選對那種「方言」
沒有唯一「最好」的濃度單位——只有最適合當下任務的那個。它們都回答*有多少*,只是分母不同。一份速查:日常反應用莫耳濃度,商品用重量百分比,痕量用 ppm 和 ppb,粒子占比用莫耳分數,溫度不肯安分時用重量莫耳濃度。