Перерахунок концентрації газів з мг/м³ у ppm
Газоаналізатори й нормативи не завжди «розмовляють» однією мовою: один прилад показує концентрацію в мг/м³, інший – у ppm, а гранично допустимі концентрації (ГДК) у довідниках трапляються і так, і так. Щоб порівняти показник приладу з нормою або зіставити два різні прилади, ці одиниці треба вміти переводити одну в одну. Такий перерахунок можливий через молярну масу конкретного газу.
Різниця між одиницями принципова. ppm (parts per million, часток на мільйон) – це об'ємна (молярна) частка газу в повітрі, яка не залежить від температури й тиску. А мг/м³ – це маса газу в кубометрі повітря, і вона залежить як від самого газу (його молярної маси), так і від умов вимірювання (температури й тиску). Саме тому, щоб перейти від маси до об'ємної частки, у формулі потрібні молярна маса газу та молярний об'єм.
Формула перерахунку
Для звичайних умов приміщення (температура близько 25°C, нормальний атмосферний тиск) використовується спрощена формула:
ppm = (мг/м³ × 24,45) / M,
де: ppm – концентрація у частках на мільйон, мг/м³ – концентрація у міліграмах на кубічний метр, 24,45 – молярний об'єм газу (л/моль) за температури 25°C, M – молярна маса газу (г/моль).
Зворотний перерахунок:
мг/м³ = (ppm × M) / 24,45.
Молярний об'єм: коли 24,45 не підходить
Коефіцієнт 24,45 – це не універсальна константа, а значення молярного об'єму для конкретних умов: 25°C і нормального атмосферного тиску. Змінюються умови – змінюється і він, бо той самий газ за іншої температури чи тиску займає інший об'єм. Обчислити його для будь-яких умов можна за рівнянням стану:
Vm = R × (273,15 + t) / p,
де Vm – молярний об'єм (л/моль), R – універсальна газова стала (8,314 кПа·л/(моль·К)), t – температура (°C), p – тиск (кПа).
Для орієнтиру, ось як змінюється молярний об'єм при зміні температури за нормального тиску 101,325 кПа: при -10°C молярний об'єм становить 21,593 л/моль, а при +40°C – вже 25,696 л/моль.
Тиск же впливає на молярний об'єм навіть сильніше за температуру. За тих самих 25°C зміна атмосферного тиску зі 101,325 до 95 кПа (звичайна річ у гірській місцевості або під час глибокого циклону) збільшує молярний об'єм із 24,465 до 26,094 л/моль – а це понад 6%.
Варто знати ще один нюанс. У довідниках зазвичай наводять округлені значення – 24,45 для 25°C і 24,04 для 20°C, тоді як точний розрахунок дає 24,465 і 24,055 відповідно. Різниця становить близько 0,06% і на практиці неістотна, але якщо ви звіряєтеся з конкретним нормативом, беріть те значення, для якого його встановлено.
Молярні маси поширених газів
- Вуглекислий газ (CO₂) – 44 г/моль.
- Чадний газ (CO) – 28 г/моль.
- Оксид азоту (NO) – 30 г/моль.
- Діоксид азоту (NO₂) – 46 г/моль.
- Діоксид сірки (SO₂) – 64 г/моль.
- Сірководень (H₂S) – 34 г/моль.
- Аміак (NH₃) – 17 г/моль.
- Озон (O₃) – 48 г/моль.
- Хлор (Cl₂) – 71 г/моль.
- Формальдегід (HCHO) – 30 г/моль.
- Метан (CH₄) – 16 г/моль.
- Етан (C₂H₆) – 30 г/моль.
- Пропан (C₃H₈) – 44 г/моль.
- Бутан (C₄H₁₀) – 58 г/моль.
Для будь-якого іншого газу формула працює так само – потрібно лише підставити його молярну масу.
Приклад перерахунку
Припустимо, потрібно перевести 0,5 мг/м³ формальдегіду (HCHO) у ppm.
Молярна маса формальдегіду ≈ 30 г/моль. Підставляємо у формулу:
ppm = (0,5 × 24,45) / 30 ≈ 0,41 ppm
Отже, концентрація 0,5 мг/м³ формальдегіду відповідає приблизно 0,4 ppm за кімнатних умов.
Підсумок
Такий перерахунок часто потрібен, коли необхідно порівняти нормативні значення, відкалібрувати датчики або зіставити показники різних приладів. Головне – застосовувати правильну молярну масу саме того газу, який вимірюється, і враховувати умови вимірювання (за високої температури чи зниженого атмосферного тиску той самий вміст у мг/м³ відповідає більшій кількості ppm). Якщо результат потрібен для порівняння з нормативом, використовуйте ті референсні умови, для яких цей норматив встановлено.
