百万分率(parts per million)的简称为ppm,它代表着一百万分之一的数量级。即:1ppm是一百万分之一。
定义
百万分率是以一百万分之一为单位对研究对象所占的份额进行的描述。它只是表示研究对象在所在的体系中所占的成分比例。按照国家标准的要求,百万分率不能在正式的论述中使用。百万分率常被用于描述微量污染物的浓度、工业生产中产品的不合格率等。
ppm的应用实例
ppm经常被用来表述微量成分的含量,例如微量成分在体系中的质量分数、体积分数、物质的量分数等。在气态
混合物中,ppm多指体积分数或物质的量分数,在液态溶液中,ppm多指质量分数。
环境化学领域经常用ppm来表示
污染物的含量,例如,空气中二氧化硫的浓度在0.2ppm左右对植物的生长会有很大伤害,会使支气管炎患者咳嗽不止。其中,0.2ppm指的是每106立方米的空气中有0.2立方米的
二氧化硫(注:这里的体积是指空气和二氧化硫在常温常压下的体积,并不是气体实际分布的体积,实际上二氧化硫分布的体积和
空气一样大,只是二氧化硫的分压明显小于常压)。再比如,某化工厂污水中含汞量为6ppm,这句话一般是指每g的污水中有0.2g的汞元素。
ppm还常被用于表示工业生产中的
不合格率,例如某工厂生产了50万个产品,其中有25个产品不合格,则不合格率为:
如果研究对象的占比更少,还可以使用更小的量级ppb (parts per billion)和ppt (parts per trillion)进行表示,通常:
(注:在一些国家,ppm等代表的数量级与上述换算式的结果有区别,这里只对通常的情况进行讨论,下同。)
总之,ppm这类符号被广泛运用于环境科学、医学等领域。在环境科学领域,科学家们常使用ppm来表示污染物的浓度;在食品安全领域,ppm常被用于表示食品添加剂的含量;在工业生产中,ppm常被用于表示产品的不合格率。
由ppm带来的歧义
ppm可以表示微量成分在体系中的
质量分数、
体积分数、
物质的量分数等,那么这样做会不会出现歧义呢?其实用ppm表示物质的含量是存在“风险”的。
不妨考虑第一个例子:空气中二氧化硫的浓度在0.2ppm左右对植物的生长会有很大伤害,会使支气管炎患者咳嗽不止。这里是否可以认为0.2ppm指的是物质的量分数呢?其实是可以的,而且理论上不会产生歧义。在目前讨论的语境中,设想在常温常压下体积为立方米的空气中取出全部的二氧化硫,使二氧化硫也处在常温常压条件下,此时二氧化硫的体积为0.2立方米。由于气体处在常温常压的条件下,可以将气体视为理想气体,根据
阿伏伽德罗定律,同温同压条件下,气体物质的量和气体体积成正比,这里对气体的种类没有要求。因此,当二氧化硫体积分数为0.2ppm时,二氧化硫的物质的量分数其实也是0.2ppm,这样看来,0.2ppm的两种理解方式在上述语境下是不矛盾的。
然而,空气的平均
摩尔质量和二氧化硫的摩尔质量并不相同。因此,0.2ppm作为质量分数表示的物质含量和0.2ppm作为物质的量分数表示的物质含量是不同的,这里就体现出了ppm可能造成的歧义。如果不能清晰地指出ppm代表的含义,那么用ppm表示物质的含量就是“不安全的”。
此外,在一些国家,ppm等代表的数量级是不同的,于是,在使用ppm这样的符号时,不仅要标注它代表的含义,还要写明它代表的数量级,这样的符号反而变得棘手了。为了避免不必要的麻烦,最好将ppm、ppb等代表的浓度换算成物质的量浓度等更规范的形式。在国家标准之一的《有关量、单位和符号的一般原则》中就有规定:不能使用ppm,pphm和 ppb这类缩写。可见ppm这类符号属实是不规范。
ppm与其他形式的浓度之间的换算
要想将ppm换算成更规范的浓度形式,就需要清楚地知道写出的ppm浓度的含义,这样根据需求就能换算了,例如,常温常压条件下,空气中二氧化硫的体积分数为0.2ppm,也就是说,的空气中含有的二氧化硫在常温常压下体积为,为了计算0.2ppm对应的物质的量浓度,只需将二氧化硫的体积换算成物质的量即可:
其中是常温常压下的气体摩尔体积,于是,二氧化硫的物质的量浓度为:
这样,就完成了从ppm到物质的量浓度的换算,用类似的换算方法即可得到各种需要计算的浓度。