parts per million
| Hilfsmaßeinheit | |
|---|---|
| Einheitenname | Parts per million |
| Einheitenzeichen | |
| Formelzeichen | |
| Typ | Quotient |
| Definition | |
| Benannt nach | englisch Parts per million, „Teile pro Million“ |
| Siehe auch: Prozent, Promille, ppb | |
Der englische Ausdruck parts per million (ppm, zu Deutsch „Teile von einer Million“, Millionstel) steht für die Zahl 10−6 und wird in der Wissenschaft und der Technik für den millionsten Teil verwendet, so wie Prozent (%) für den hundertsten Teil, also 10−2, steht.
Probleme machen die unterschiedliche Verwendung in Konzentrationsangaben als Volums-, Massen- oder aber Teilchenkonzentrationmaß und die sprachliche falsche Interpretierbarkeit der Varianten ppb und ppt.
Grundlagen
parts per million (ppm) und parts per trillion (ppt)
Die IEC empfahl 1978 ebenso wie die internationale Norm ISO 31-0 Quantities and units – Part 0: General principles aus dem Jahre 1992, den Ausdruck ppm zu vermeiden. Dies vor allem, um damit der Gefahr von Missverständnissen bei den analog gebildeten Begriffen ppb und ppt parts per trillion vorzubeugen. Denn billion und trillion bedeuten im amerikanischen Sprachgebrauch 109 (billion, dt. Milliarde) und 1012 (trillion, dt. Billion), während sie im deutschen 1012 (für Billion) und 1018 (für Trillion) bedeuten. Deshalb ist eine Angabe in einer dieser Einheiten immer mit Vorsicht zu betrachten. Darüber hinaus wird die Abkürzung ppt in englischsprachigen Ländern manchmal auch für parts per thousand verwendet.
Umrechnung
- 1 Prozent = 10−2 = 10.000 ppm = 1 Teil pro Hundert = 1 %
- 1 Promille = 10−3 = 1.000 ppm = 1 Teil pro Tausend = 0,1 % = 1 ‰
- 1 bp (basis point/ permyriad) = 10−4 = 100 ppm = 1 Teil pro Zehntausend = 0,01 % = 1 ‱
- 1 pcm (per cent mille) =10−5 =10 ppm = 1 Teil pro Hunderttausend = 0,001 % = 0,1 ‱
- 1 ppm = 10−6 = 1 Teil pro Million = 0,0001 % = 0,01 ‱
- 1 ppb (parts per billion) = 10−9 = 1 Teil pro Milliarde
- 1 ppt (parts per trillion) = 10−12 = 1 Teil pro Billion
- 1 ppq (parts per quadrillion) = 10−15 = 1 Teil pro Billiarde
Mischungsverhältnisse (ppmv, ppmw)
Volumenmischungsverhältnisse werden durch ein nachgestelltes „v“ by volume bzw. volume parts (zum Beispiel ppmv, ppbv, pptv) gekennzeichnet. Für ppmv wird auch die Abkürzung vpm verwendet. vpm verhält sich zu Vol.-% wie ppm zu %. Hierbei sind die oben gegebenen Hinweise zu Verwechselungsmöglichkeiten zu beachten.
Gewichtsmischungsverhältnisse bzw. Massennmischungsverhältnisse werden durch ein nachgestelltes „w“ by weight (ppmw, ppbw, pptw) gekennzeichnet. ppmw verhält sich zu Gew.-% wie ppm zu %.
Verwendung
Konzentrationen
Ein Massenanteil kann in Milligramm pro Kilogramm angegeben werden, eine Volumenkonzentration in Milliliter pro Kubikmeter oder ein Stoffmengenanteil in Mikromol pro mol.
Häufige Verwendung findet ppm in der Massenspektrometrie, um z. B. die Verunreinigungen in einem reinen Stoff zu messen. Beim Analysenzertifikat, das einer Chemikalie beiliegt, bezieht sich ppm auf die Masse der Substanz. Damit entspricht ppm der Menge der Verunreinigung in μg pro g der Chemikalie.
In der Chemie wird das ppm bei Konzentrationsangaben wässriger Lösungen mit gleicher Dichte der gelösten Stoffe benutzt. Dabei ist für die gelösten Stoffe ähnlicher Dichte mit 1 ppm = 1.000 ppb ca. 1 mg/l gemeint. Auch bei gleicher Dichte der gelösten Stoffe ist die Gleichung ppm = mg/l nicht immer genau und mit Vorsicht zu genießen. Trotzdem wird auch heute noch oft das ppm in falscher Weise bei Konzentrationsangaben wässriger Lösungen benutzt.
Für Gasgemische wird bei ppm-Angaben auf die Teilchenzahlen Bezug genommen. Nach dem idealen Gasgesetz finden sich in einem Gasvolumen immer die gleiche Teilchenzahl, d.h. unabhängig von der Größe (Schwere) der Teilchen. Damit ergibt sich:
- Konzentration in (g/m³) / Molmasse des (Wirk-)Stoffs * Molvolumen * 1.000.000 = Konzentration in ppm
Die DFG-MAK-Wert-Kommission (MAK- und BAT-Wertliste 2016, Weinheim: Wiley 2016, S. 20) rechnet mit einem Molvolumen von 24,1 l bei 20 °C und einem (Atmosphären-)Druck von 1013 hPa (= 1013 mbar), sodass sich die Formel ergibt zu
- Konzentration in g/m³ / Molmasse (in g/mol) * 0,0241 m³/mol Gas * 1.000.000 = Gaskonzentration in ppm
Luftmessungen, Umweltschutz
Ist die Immissionsmenge als Masseanteil pro Volumen angegeben, z. B. in µg pro m³ Luft, bezieht man sich bei der Umrechnung in ppm auf das Verhältnis der Anzahl der Moleküle.
Beispiel: 0,1 µg Blei in einem m³ Luft entsprechen (0,1 · 10−6 / 207) mol Blei in ( 103 / 22,414) mol Luft. Also kommen auf ein Blei-Atom ungefähr 1011 Luftmoleküle (somit entsprechen 0,1 µg Blei / m³ Luft etwa 10 ppt Blei in Luft). Bei dieser Rechnung wurden verwendet: Molare Masse von Blei = 207 g / mol und Anzahl der Mole der Gasteilchen bei T = 0 °C und p = 1 atm pro Liter = 1 / 22,414 mol (mit pV = nRT).
Trotz der IEC/ISO-Ablehnung werden insbesondere bei der Messung der Konzentration von Erdgas in Luft die Anteile des Gases mit Gaskonzentrationsmessgeräten oder Gasspürgeräten in ppm oder aber auch, bei höheren Konzentrationen, in Volumenprozent bzw. Volumenanteilen gemessen.
Der Kohlendioxidgehalt der Luft bzw. dessen Konzentration beträgt heute ca. 400 ppm.
Gerätegenauigkeit
In der Geodäsie wird oft die Genauigkeit von Geräten zur Entfernungsmessung in ppm angegeben. Hier ist damit eine Angabe von Millimeter pro Kilometer gemeint.
Chemische Verschiebung
In der NMR-Spektroskopie findet das ppm Verwendung zur Angabe der Chemischen Verschiebung.
Fehlerraten
Besonders in der Automobilindustrie werden Ausfallhäufigkeiten (Fehlerraten) in ppm ausgedrückt, beispielsweise bei der Elektronik in den verbauten Steuergeräten. Die Autohersteller fordern strenge ppm-Raten von den Zulieferern. Das bedeutet, von einer Million produzierter Steuergeräte darf maximal eine bestimmte, relativ kleine Anzahl defekt sein (siehe Tabelle). Die folgende Tabelle soll einen beispielhaften Vergleich der geforderten Fehlerraten an einen Halbleiterhersteller geben, der seine Prozessoren sowohl in Unterhaltungselektronik als auch in der Automobilindustrie verbaut:
| Unterhaltungselektronik | 1000 ppm |
| Automobilindustrie | 20 ppm |