ความเข้มข้น

ในทางเคมี ความเข้มข้น คือการวัดปริมาณของสสารที่กำหนดซึ่งผสมอยู่ในสสารอีกชนิดหนึ่ง ใช้วัดสารผสมทางเคมีชนิดต่าง ๆ แต่บ่อยครั้งแนวคิดนี้ก็ใช้จำกัดแต่เฉพาะสารละลาย ซึ่งหมายถึงปริมาณของตัวถูกละลายในตัวทำละลาย

การที่จะทำให้สารละลายเข้มข้นขึ้น ทำได้โดยการเพิ่มปริมาณของตัวถูกละลายมากขึ้น หรือการลดตัวทำละลายลง ในทางตรงข้าม การที่จะทำให้สารละลายเจือจางลง ก็จะต้องเพิ่มตัวทำละลายขึ้น หรือลดตัวถูกละลายลง เป็นอาทิ ถึงแม้สสารทั้งสองชนิดจะผสมกันได้อย่างเต็มที่ แต่ก็จะมีความเข้มข้นค่าหนึ่งซึ่งตัวถูกละลายจะไม่ละลายในสารผสมนั้นอีกต่อไป ที่จุดนี้เรียกว่าจุดอิ่มตัวของสารละลาย ซึ่งขึ้นอยู่กับตัวแปรหลายอย่าง เช่นอุณหภูมิแวดล้อม และสมบัติทางเคมีโดยธรรมชาติของสสารชนิดนั้น

บางครั้งในภาษาที่ไม่เป็นทางการหรือทางเทคนิค ความเข้มข้นจะถูกอธิบายในเชิงคุณภาพ โดยใช้คำว่า "เจือจาง, จาง, อ่อน" สำหรับแสดงความเข้มข้นน้อย และคำว่า "เข้มข้น, เข้ม, แก่" สำหรับความเข้มข้นมาก คำเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปริมาณของสสารในสารผสม ซึ่งสามารถสังเกตได้จากปฏิกิริยาหรือสมบัติที่เกิดขึ้นของสสารนั้น ตัวอย่างเช่น ความเข้มข้นของสารละลายที่มีสี สามารถดูได้จากความอ่อนเข้มของสีที่ปรากฏ ยิ่งสีเข้มมากเท่าไรก็หมายความว่ามีความเข้มข้นมากเท่านั้น หรือความเข้มข้นของน้ำเกลือ สามารถสังเกตได้โดยการชิมรส ยิ่งเค็มมากแสดงว่ามีความเข้มข้นของเกลือมาก

ความเข้มข้นที่อธิบายในเชิงคุณภาพไม่พอเพียงต่อการนำไปใช้ทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค ดังนั้นการวัดเชิงปริมาณจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวัดความเข้มข้น มีหลายทางที่สามารถทำได้เพื่อที่จะแสดงถึงความเข้มข้นเช่นนั้น โดยใช้มวล ปริมาตร หรือทั้งสองอย่างเป็นฐาน แต่การวัดปริมาณบางอย่างก็ไม่สามารถแปลงหน่วยซึ่งกันและกันได้ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับว่าปริมาณนั้นวัดจากอะไร

การวัดความเข้มข้นบางหน่วย โดยเฉพาะความเข้มข้นโดยโมล (ดูหัวข้อถัดไป) จำเป็นจะต้องทราบปริมาตรของสสาร ซึ่งอาจแปรผันไปได้โดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิแวดล้อมและความดัน ไม่เหมือนกับมวลซึ่งจะคงที่อยู่ทุกสภาวะ ดังนั้นปริมาตรโดยโมลบางส่วนจึงสามารถเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้นของตัวเอง สิ่งนี้เป็นเหตุผลว่าเพราะเหตุใดปริมาตรจึงไม่มีความสำคัญในการรวมเมื่อของเหลวสองชนิดผสมเข้าด้วยกัน การวัดความเข้มข้นที่ใช้ปริมาตรเป็นฐานจึงเป็นสิ่งที่ไม่แนะนำสำหรับสารละลายที่ไม่เจือจาง หรือมีความแตกต่างกันอย่างมากในเรื่องของอุณหภูมิ

"ถ้าหากไม่มีอุณหภูมิและความดันระบุไว้ การวัดความเข้มข้นโดยใช้ปริมาตรจะถือว่าสสารนั้นอยู่ในสถานะมาตรฐาน (เช่นที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส และที่ความดัน 1 ความดันบรรยากาศ หรือ 101.325 กิโลปาสกาล) ส่วนการวัดความเข้มข้นโดยมวลไม่จำเป็นต้องใช้ข้อจำกัดเช่นนี้

ทั้งของแข็งและของเหลวสามารถหามวลได้จากการชั่งน้ำหนัก จากการวัดด้วยตาชั่งด้วยความคลาดเคลื่อน < 0.2 มิลลิกรัม หรือใช้เครื่องชั่งที่แม่นยำมากกว่า

ปริมาตรของของเหลวสามารถพิจารณาได้จากภาชนะเครื่องแก้วอย่างเช่นบิวเรตต์หรือขวดวัดปริมาตร สำหรับปริมาตรขนาดเล็กอาจใช้กระบอกฉีดยาแทนได้ การใช้บีกเกอร์หรือกระบอกตวงไม่เป็นที่แนะนำ เนื่องจากมีหน้าตัดที่ใหญ่จึงไม่สามารถวัดปริมาตรได้แม่นยำเท่าอุปกรณ์วัดปริมาตรชนิดอื่นที่กล่าวมาข้างต้น ในกรณีของการวัดปริมาตรของของแข็งอาจสามารถทำได้ยาก โดยเฉพาะสสารที่เป็นผง ในกรณีนี้การวัดโดยมวลจึงเหมาะสมกว่า ปริมาตรของแก๊สนั้นสามารถวัดได้ในบิวเรตต์แก๊ส แต่ก็ต้องระมัดระวังในเรื่องของความดัน แต่ไม่สามารถวัดได้โดยง่ายจากมวลเนื่องจากแก๊สมีแรงลอยตัว

ความเข้มข้นโดยโมลหรือโมลาริตี (molarity) คือความเข้มข้นที่คิดจากจำนวนโมลของสสารที่กำหนด เทียบกับปริมาตรเป็นลิตรของสารละลาย มีหน่วยเป็นโมลต่อลิตร (mol/L) หรือโมลาร์ (molar) หรือเขียนย่อด้วยอักษร M ตัวใหญ่ นั่นคือ

ตัวอย่างเช่น ถ้ามีปริมาณของสสารอยู่ในสารละลาย 2.0 โมล และปริมาตรรวมของสารละลายคือ 4.0 ลิตร ดังนั้นสารละลายนี้จะมีความเข้มข้น 0.5 โมลต่อลิตรหรือ 0.5 โมลาร์ สำหรับสารละลายที่มีความเข้มข้น 0.5 โมลาร์อาจแปลความหมายได้ว่า มีสสาร 0.5 โมลอยู่ในสารละลายทุก ๆ 1.0 ลิตร ซึ่งสิ่งนี้ "ไม่เทียบเท่ากับ" การมีตัวทำละลาย 1.0 ลิตร แต่ปริมาณของตัวทำละลายที่มีอยู่อาจจะต่างจากนั้นเล็กน้อย เพราะเมื่อนำสสารมาละลายแล้วจะทำให้ปริมาตรของของเหลวมากขึ้น หรือน้อยลงในบางกรณี จนได้สารละลายที่มีปริมาตร 1.0 ลิตรพอดี

สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีนานาชาติ (NIST) ซึ่งเป็นหน่วยงานรัฐของสหรัฐอเมริกาที่รับผิดชอบเกี่ยวกับการวัดและการรักษามาตรฐาน ได้พิจารณาว่าโมลาริตีและการใช้หน่วย M เป็นการใช้งานที่ล้าสมัย และแนะนำให้ใช้ "ความเข้มข้นโดยจำนวนของสสาร" (amount-of-substance concentration ย่อว่า "c") ในหน่วยโมลต่อลูกบาศก์เมตร (mol/m) หรือใช้หน่วยอื่นที่สามารถควบคู่ไปกับหน่วยเอสไอ เช่นโมลต่อลิตร (mol/L) แต่คำแนะนำนี้ก็ยังไม่มีการนำไปใช้ในสถาบันการศึกษาหรืองานวิจัยทางเคมีเลย

การเตรียมสารละลายในความเข้มข้นโดยโมลที่ต้องการ ทำได้โดยใส่สสารที่เป็นตัวถูกละลายในปริมาณที่ได้ชั่งไว้แล้วอย่างแม่นยำลงในขวดวัดปริมาตร เติมตัวทำละลายบางส่วนแล้วเขย่าเพื่อให้สสารนั้นละลายเข้ากัน จากนั้นจึงเติมตัวทำละลายที่เหลือจนเต็มฟลาสก์

ถึงแม้ว่าความเข้มข้นโดยโมลจะเป็นการวัดความเข้มข้นที่พื้นฐานที่สุด โดยเฉพาะกับสารละลายในน้ำที่เจือจาง แต่ก็อาจมีข้อเสียบางประการเช่น การใช้มวลที่ได้วัดบนตาชั่งจะคงที่แม่นยำมากกว่าการวัดปริมาตรโดยภาชนะ นอกจากนี้ความเข้มข้นโดยโมลจะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิโดยไม่มีการเพิ่มหรือลดมวลเนื่องจากปริมาตรจะขยายหรือหดตัวเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง สำหรับสารละลายที่ไม่เจือจางจะเกิดอีกปัญหาหนึ่งคือ ปริมาตรโดยโมลของสสารเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้น ดังนั้นปริมาตรจึงไม่สามารถบวกกันได้โดยตรง