به جزیره محلول ها در دنیای شیمی خوش آمدید..!

شیمی دنیای بسیار جذاب و شگفت انگیزی است که بسیار وسیع و پهناور است در نتیجه هیچ کسی در این دنیا نمی تواند ادعای این را داشته باشد که همه جای دنیای شیمی را دیده ولی جزیره ای در این دنیا وجود دارد که همه شیمی دان ها باید با این جزیره آشنا باشند جزیره ای به نام جزیره محلول ها.

شناخت این جزیره شاید یکی از اساسی ترین نیاز های یک شیمیدان می باشد، یک شیمی دان باید قادر باشد محلول ها را با غلظتهای مشخص در ظروف مخصوص تهیه و ارائه دهد بنابراین لازم است با اصول اولیه این کار و تعاریف آشنا باشد.

در این پست آموزشی قصد داریم تا بخشی از این جزیره پر رمز و راز را مورد بررسی قرار دهیم و بخشی از تعاریف آن را با هم مرور کنیم

تعاریف

محلول: محلول ها مخلوط های همگن اند، محلول ها را اغلب براساس حالت فیزیکی آنها طبقه بندی میکنند: محلول های جامد، مایع و گاز

حلال: معمولا جزئی از یک محلول را که از لحاظ مقدار بیش از اجزای دیگر است حلال نامند. البته کاربرد این واژه اختیاری است و دقت چندانی ندارد.در توصیف محلول های گازی کاربرد واژه ی حلال و حل شونده کاربرد چندانی ندارد.

حل شونده: معمولا جزئی از محلول را که از لحاظ مقدار از اجزای دیگر کمتر است حل شونده می نامند.

غلظت: مقدار ماده ی حل شده در مقدار مشخصی حلال یا محلول را گویند.
انحلال پذیری: بیشترین مقدار از یک ماده که در مقدار معینی حلال حل می شود و سیستم پایداری به وجود می آورد.

روش ساخت محلول با غلظت معین

بسیاری از واکنش‌های شیمیایی تنها در محیط آبی قابل انجام هستند و برخی دیگر در محیط آبی بهتر انجام می‌شوند. در نتیجه باید اجزای واکنش در آب یا حلال دیگری حل شود. دلیل این امر جنبش مولکول‌های مایعات و تراکم خوب آن است که باعث می‌شود احتمال برخورد مولکول‌های دخیل در واکنش زیاد شود و واکنش بهتر و سریع‌تر انجام شود.

محلول‌سازی شامل حل‌شدن یک ماده‌ی حل‌شونده (جامد، مایع، گاز) در یک مایع حلال است. حلال می‌تواند آب یا هر مایع دیگری باشد که قابلیت حل‌کردن حل‌شونده را داشته باشد. برای انجام آزمایش‌های علمی لازم است مقدار دقیق حل‌شونده در حلال معلوم باشد. تیترسنجی، واکنش‌های خنثی‌سازی و واکنش‌های اکسیداسیون و احیا از جمله مواردی هستند که با محلول‌سازی سروکار دارند.

نکات آزمایشگاهی

• برای وزن‌کردن مواد جامد از یک ظرف تخت مثل پتری یا یک تکه کاغذ تمیز و صاف استفاده کنید. آن را روی ترازو بگذارید و در صورت امکان سنجه‌ی ترازو را صفر کنید. اگر ترازو چنین امکانی ندارد، وزن آن را یادداشت کنید و از وزن کل کم کنید. پودر را روی آن بریزید تا به وزن موردنظر شما برسد. با توجه به وزن موردنیاز، ماده را با سرعت کم یا زیاد بریزید. سعی کنید بیش‌تر از مقدار موردنیاز ماده را از ظرف آن خارج نکنید تا مجبور به بازگرداندن آن نباشید. به این روش احتمال آلوده‌شدن و ناخالصی ماده را کاهش می‌دهید. اگر از قاشق مخصوص (اسپاتول) استفاده می‌کنید، قاشق‌های آغشته به مواد گوناگون را برای یک‌دیگر استفاده نکنید.
• برای وزن‌کردن مایعات نیز می‌توانید از بشر به روش قبل استفاده کنید.
• برای ساختن محلول بهتر است از ظروف شیشه‌ای مدرج با دهانه‌ی باریک مثل بالن کف‌تخت یا ارلن استفاده کنید تا هنگام هم‌زدن محلول با مشکل سرریزشدن مواجه نشوید.
• برای اندازه‌گیری حجم مایعات از ظروف شیشه‌ای مدرج مانند استوانه‌ی مدرج یا بشر استفاده کنید. هر چه درجه‌ها ریزتر باشند، اندازه‌گیری شما دقیق‌تر خواهد بود.
• مایعاتی که بخار می‌شوند را زیر هود اندازه‌گیری کنید.

روش‌های محاسبه‌ی غلظت محلول

درصد وزنی میزان گرم ماده‌ی حل‌شونده در کل وزن محلول را گزارش می‌کند. این ویژگی بیش‌تر روی محصولات تجاری درج می‌شود. مثل الکل صنعتی ۹۶درصد که به معنای ۹۶ گرم الکل به ازای ۴ گرم آب مقطر در هر ۱۰۰ گرم از محصول است. اما در محلول‌سازی کاربردی در آزمایشگاه‌ها بیش‌تر از روش‌های زیر برای بیان غلظت محلول و محاسبه‌ی آن استفاده می‌شود.

درصد وزنی/ حجمی که به اختصار درصد وزنی نیز گفته می‌شود اولین روش بیان کمی محلول با غلظت مشخص محلول درصد جرمی (وزنی است. در این حالت جرم مشخصی از حل‌شونده در حجم معینی از حلال، حل شود. به طوری که حجم کل حل‌شونده و حلال محلول ۱۰۰ سی‌سی گردد. سی‌سی= میلی‌لیتر
مولاریته‌ی یک محلول برابر است با تعداد مول‌های ماده حل شده در هر لیتر آن محلول. این روش بیان غلظت بیش‌ترین کاربرد را در محلول‌سازی دارد. یک مول برابر است با تعداد۱۰۲۳*۰۲۲/۶ مولکول از ماده (عدد آووگادرو). برای این که تعداد مولکول‌های ماده را در محلول اندازه بگیریم از مفهوم جرم مولی استفاده می‌کنیم.

انواع محلول ها

• محلول های رقیق
• محلول هایی که غلظت ماده حل شده آنها نسبتا کم است.
• محلول های غلیظ
• محلول هایی که غلظت نسبتا زیاد دارند.
• محلول سیر شده

اگر مقدار ماده حل شده در یک محلول برابر با انحلال پذیری آن در حلال باشد، آن محلول را محلول سیر شده می‌نامیم. اگر به مقداری از یک حلال مایع ، مقدار زیادی ماده حل شونده (بیشتر از مقدار انحلال پذیری آن) بیفزاییم، بین ماده حل شده و حل شونده باقیمانده تعادل برقرار می‌شود. ماده حل شونده باقیمانده ممکن است جامد ، مایع یا گاز باشد. در تعادل چنین سیستمی ، سرعت انحلال ماده حل شونده برابر با سرعت خارج شدن ماده حل شده از محلول است. بنابراین در حالت تعادل ، غلظت ماده حل شده مقداری ثابت است.

محلول سیر نشده

غلظت ماده حل شده در یک محلول سیر نشده کمتر از غلظت آن در یک محلول سیر شده است.

محلول فراسیرشده

می‌توان از یک ماده حل شونده جامد ، محلول فراسیر شده تهیه کرد که در آن، غلظت ماده حل شده بیشتر از غلظت آن در محلول سیر شده است. این محلول ، حالتی نیم پایدار دارد و اگر مقدار بسیار کمی از ماده حل شونده خالص بدان افزوده شود، مقداری از ماده حل شده که بیش از مقدار لازم برای سیرشدن محلول در آن وجود دارد، رسوب می‌کند.

خواص فیزیکی محلول ها

بعضی از خواص محلول ها به دو عامل ، نوع ماده حل شده و غلظت آن در محلول بستگی دارند. این مطلب برای بسیاری خواص فیزیکی محلول ها از جمله ، محلول های آبی درست به نظر می‌رسد. برای مثال، محلول نمک طعام در آب بی رنگ پرمنگنات پتاسیم در آب، بنفش صورتی است (در اینجا نوع ماده حل شده مطرح است). افزون بر این ، می‌دانیم که هر چه بر محلول پرمنگنات آب بریزیم و آن را رقیقتر کنیم، از شدت رنگ آن کاسته می‌شود (اینجا غلظت محلول مطرح است.)

یکی دیگر از خواص فیزیکی که به این دو عامل بستگی دارد، قابلیت هدایت الکتریکی محلول آبی مواد گوناگون است. چهار خاصه فیزیکی دیگر از محلولها وجود دارد که به نوع و ماهیت ذرات حل شده بستگی ندارد، بلکه فقط به مجموع این ذرات وابسته است. به عبارت دیگر ، تنها عامل موثر بر خواص محلول در اینجا ، غلظت است. چنین خواصی از محلول را معمولا “خواص جمعی محلول ها” خواص کولیگاتیو (Colligative properties) می‌نامند و عبارتند از کاهش فشار بخار، صعود نقطه جوش ، نزول نقطه انجماد و فشار اسمزی.

شاید این مطلب را دوست داشته باشید: تفاوت شیمی آلی و معدنی

انواع غلظت

۱– مولاریته (M)

تعداد مول های ماده ی حل شده در یک لیتر از محلول.
مولاریته یکی از پرکاربرد ترین مفاهیم غلظت در شیمی تجزیه می باشد.
این تعریف بر اساس حجم کل محلول استوار است. وقتی غلظت محلول بر حسب مولاریته بیان می‌شود، محاسبه مقدار ماده حل شده موجود در یک نمونه معین از محلول آسان است. تعداد مولهای جسم حل شده از تقسیم کردن وزن آن بر حسب gr به وزن فرمولی آن (وزن مولکولی ، وزن اتمی ، وزن یونی) بدست می‌آید.

۲– نرمالیته (N)

تعداد هم ارز گرم های ( اکی والان های ) ماده ی حل شده در یک لیتر محلول.
نرمالیته ی یک محلول مانند مولاریته با تغییر دما اندکی تغییر میکند.
مفهوم اکی والان گرم: مقدار وزن اکی والانمواد مختلف طبق رابطه زیر به دست می‌آید:

E=M/nکه M ، جرم مولکولی و n (ظرفیت) برای مواد مختلف به قرار زیر بدست می‌آید:

مقدار n برای اسیدها برابر تعداد هیدروژن‌های اسیدی و برای بازها ، برابر تعداد OH- ، برای نمک‌ها برابر ظرفیت فلز ضرب‌در تعداد فلز و برای واکنش‌های اکسایش- کاهش برابر درجه کاهش یا اکسایش است. با بدست آوردن مقدار E (وزن اکی والان) می‌توان تعداد اکی‌والان را از رابطه زیر حساب کرد: وزن اکی والان/جرم ماده برحسب گرم= =m/E تعداد اکی والان

در نتیجه ، نرمالیته یک محلول بیانگر تعداد اکی‌والان‌ها دریک لیتر محلول یا تعداد میلی‌اکی‌والان در هر میلی‌لیتر محلول می‌باشد. پس ، یک محلول ۰,۲ N نقره نیترات ، ۰,۲ میلی اکی والان (meq) از نقره‌نیترات در هر میلی‌لیتر یا ۰,۲ اکی والان (eq) در هر لیتر محلول دارد.

۳– مولالیته (m)

تعداد مول های ماده ی حل شونده در یک کیلوگرم حلال.
مولالیته یک محلول عبارت است از عدد مولهای حل شده در ۱۰۰۰ گرم حلال. مولالیته یک محلول آبی بسیار رقیق همان مولاریته آن محلول است زیرا ۱۰۰۰ گرم آب تقریبا ۱۰۰۰ گرم حجم اشغال می کند.

روش دیگر برای محاسبه ی میزان حجم مورد نیاز استفاده از فرمول رقیق سازی میباشد، که این فرمول به صورت زیر می باشد :

m1 v1 = m2 v2