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Lösungen sind in der Chemie allgegenwärtig. Sie werden verwendet, um kleine Materialmengen zu lagern und zu handhaben, chemische Reaktionen durchzuführen und Materialien mit kontrollierbaren Eigenschaften zu entwickeln. Eine Lösung ist ein homogenes Gemisch, das einige Komponenten in kleinen Mengen, die als gelöste Stoffe bezeichnet werden, und eine Komponente in einer großen Menge, das Lösungsmittel, enthält. Die Menge des gelösten Stoffes im Verhältnis zur Gesamtmenge einer Lösung wird als "Konzentration" bezeichnet. Je nachdem, ob es sich um die Masse, das Volumen oder die Menge in Mol der Lösungskomponenten handelt, die in Betracht gezogen werden, kann diese Messung auf verschiedene Arten ausgedrückt werden, je nach den Anforderungen des Experiments. In diesem Video gehen wir zunächst auf die verschiedenen Arten von Einheiten zur Messung der Konzentration einer Lösung ein. Wir werden dann ein Protokoll zur Herstellung einer Saccharoselösung durchgehen. Abschließend werden wir uns ansehen, wie die Konzentrationsmessung in verschiedenen chemischen Anwendungen eingesetzt wird.
Die Konzentration einer Lösung kann in einer Reihe verschiedener Einheiten ausgedrückt werden, von denen jede für bestimmte Anwendungen besser geeignet sein kann als andere. Eine der am häufigsten verwendeten Einheiten ist die Molarität, d. h. die Menge an gelöstem Stoff pro Lösungsvolumen; Ein Mol entspricht einem Mol gelösten Stoffes pro Liter Lösung. Aufgrund der Einfachheit der Messung des Volumens von Flüssigkeiten ist die Molarität eine der bequemsten Einheiten für die stöchiometrische Berechnung von Reaktionen in Lösung. Die Stöchiometrie basiert auf der Anzahl der Moleküle, die an einer Reaktion beteiligt sind. Daher vereinfacht die Kenntnis der Molarität die Berechnung der erforderlichen Reagenzien.
Wenn die Konzentration als Menge des gelösten Stoffes pro Masse des Lösungsmittels ausgedrückt wird, wird die Messung als Molalität bezeichnet. Das Volumen von Materialien ändert sich mit der Temperatur, so dass die Messung der Konzentration mit Molalität vorteilhaft ist, wenn die physikalischen Eigenschaften von Lösungen untersucht werden, die als kolligative Eigenschaften bekannt sind und Temperaturunterschiede beinhalten. Der Molenbruch ist eine weitere gebräuchliche Konzentrationseinheit und ergibt sich aus der Anzahl der Mol gelösten Stoffes pro Molzahl aller Lösungskomponenten ?? gelöste Stoffe und Lösungsmittel. Molenbrüche sind z.B. nützlich, wenn es darum geht, den "Dampfdruck" von Lösungen zu untersuchen. Dies spiegelt das Ausmaß wider, in dem gelöste und lösemittelhaltige Partikel aus einer flüssigen Lösung in die Gasphase "entweichen", da der Molenbruch gleich dem Verhältnis von Partialdrücken zum Gesamtdruck ist. Nachdem Sie nun eine Vorstellung davon haben, wie die Konzentration einer Lösung gemessen werden kann, gehen wir ein Protokoll zur Herstellung einer Lösung mit einer bestimmten molaren Konzentration durch.
Beginnen Sie mit der Berechnung der benötigten Saccharosemasse, indem Sie zuerst das gewünschte Volumen und die gewünschte Konzentration der Lösung verwenden, um die Anzahl der Mol Saccharose zu ermitteln, und dann die Molekülmasse zur Umwandlung in Masse verwenden. In diesem Beispiel werden 100 ml einer 0,01 M Saccharoselösung hergestellt, sodass 0,342 g benötigt werden. Um die benötigte Masse an Saccharose abzuwiegen, legen Sie zunächst ein sauberes, leeres Wägeschiffchen auf die Waage. Stellen Sie das "Taragewicht" ein, was bedeutet, dass Sie das Gewicht des leeren Wiegeboots auf Null setzen. Übertragen Sie dann mit einer Scoopula das Saccharosepulver aus der Reagenzflasche auf das Wägeschiffchen, bis die gewünschte Menge erreicht ist. Geben Sie einen Pulvertrichter in einen sauberen, trockenen 100-ml-Messkolben. Gieße die Saccharose vorsichtig durch den Trichter. Spülen Sie mit einer Waschflasche mit dem Lösungsmittel, in diesem Fall destilliertem Wasser, den restlichen Feststoff aus dem Waagbehälter in den Kolben.
Fügen Sie mehr destilliertes Wasser hinzu, aber hören Sie auf, bevor es die Kalibrierungsmarkierung erreicht. Verschließen und vorsichtig schwenken, um den Feststoff aufzulösen. Es ist wichtig, den Kolben zu diesem Zeitpunkt nicht ganz zu füllen, da es für den Feststoff schwierig sein kann, sich vollständig aufzulösen.
Sobald sich die gesamte Saccharose aufgelöst hat, fügen Sie das Lösungsmittel vorsichtig mit einer Waschflasche hinzu, bis der Boden des Meniskus die volumetrische Teilung erreicht. Verschließen Sie den Kolben wieder und drehen Sie ihn mehrmals um, um eine vollständige Auflösung und Vermischung zu gewährleisten.
Eine übersättigte Lösung ist eine Lösung, in der mehr gelöster Stoff gelöst ist, als angesichts der Temperatur oder anderer physikalischer Eigenschaften des Lösungsmittels zu erwarten wäre. Der Grad, der auf dem gelösten Stoff, dem Lösungsmittel und der Abkühlgeschwindigkeit basiert. Die Übersättigung wird erreicht, indem der gelöste Stoff zuerst in einem Zustand aufgelöst wird, in dem die Löslichkeit hoch ist, und dann der Zustand der Lösung schnell geändert wird ? Zum Beispiel die Temperatur oder das Volumen verringern ? schneller, als die gelösten Partikel aus der Lösung kommen können. Zu diesem Zeitpunkt würde unter den neuen Bedingungen mehr gelöster Stoff in Lösung verbleiben, als es möglich wäre, den gelösten Stoff direkt unter diesen Bedingungen aufzulösen. Um eine übersättigte Saccharoselösung herzustellen, geben Sie zuerst 100 ml Wasser in ein Becherglas. Fügen Sie einen magnetischen Rührstab hinzu und rühren Sie dann auf einer heißen Platte um. 220 g Saccharose in das Rührwasser geben und die Saccharosemischung 15 Min. rühren lassen. Nach 15 Minuten ist zu beobachten, dass sich nicht die gesamte Saccharose aufgelöst hat. Erhitzen Sie die Mischung auf 50 °C. Rühren Sie die Mischung weitere 10 Minuten lang weiter.
Untersuchen Sie die Lösung erneut. Die gesamte Saccharose hätte in den 50er Jahren aufgelöst werden müssen. C?Wasser. Lassen Sie nun die Lösung langsam auf Raumtemperatur abkühlen und entfernen Sie den Rührstab. Beachten Sie, dass Saccharose immer noch aufgelöst bleibt. Die Lösung bei Raumtemperatur ist nun übersättigt. Die Zugabe einer kleinen Menge zusätzlichen Saccharosepulvers zu dieser Lösung kann eine schnelle Rekristallisation der gesamten gelösten Saccharose auslösen.
Nachdem Sie nun gesehen haben, wie man Lösungen mit bestimmten Konzentrationen herstellt, schauen wir uns einige Beispiele an, wie das Konzept für verschiedene Anwendungen eine wichtige Überlegung sein kann.
Die Konzentration von Reagenzien, Lösungsmittelkomponenten und anderen Komponenten einer chemischen Reaktion hat oft einen signifikanten Einfluss auf die Geschwindigkeit der Reaktionsprodukte. Höhere Reaktantenkonzentrationen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass die Moleküle aufeinandertreffen und reagieren, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit möglicherweise erhöht wird. Gleichzeitig können erhöhte Konzentrationen geladener Salzionen in Lösung auch die Aggregation von hydrophoben oder "wasserabweisenden" Molekülen begünstigen.
Die Forscher untersuchten hier die Selbstorganisation eines komplexen Moleküls zu langen Polymeren in Gegenwart unterschiedlicher Salzkonzentrationen im Reaktionslösungsmittel. Sie fanden heraus, dass bei höheren Salzkonzentrationen der Zusammenbau der Moleküle zu Polymeren leichter vonstatten geht.
Die Konzentration beeinflusst auch die Geschwindigkeit physikalischer Prozesse wie der Kristallisation. Biologen kristallisieren oft Moleküle wie Proteine, wo sie sauber in einem Kristallgitter angeordnet werden, so dass ihre Struktur abgeleitet werden kann, indem sie untersuchen, wie Röntgenstrahlung durch diese Kristalle beugt. Um Proteine zu kristallisieren, werden Proteinlösungen mit einem "Fällmittel", normalerweise einem Salz, in unterschiedlichen Konzentrationen und pH-Werten gemischt. Ein Tropfen dieser Mischung wird dann in eine geschlossene Kammer mit einem Reservoir mit konzentrierterer Fällungslösung gegeben. Wenn Wasser aus dem Tröpfchen der Proteinlösung verdampft, um die Fällmittelkonzentration zwischen dem Tröpfchen und dem Reservoir auszugleichen, wird das Protein zunehmend übersättigt und kristallisiert schließlich aus der Lösung. Weitere Informationen finden Sie in unserem Video zum Züchten von Kristallen.
Schließlich ist ein Verständnis der Konzentration wichtig, um den Gehalt an Giftstoffen in der Umwelt zu bewerten. In diesem Beispiel entwickelten die Wissenschaftler einen Assay, um die Menge des potenziell tödlichen bakteriellen Toxins Botulinum in Lebensmittel- oder Wasserproben nachzuweisen, indem sie das Ausmaß nachweisen, in dem das Toxin ein bestimmtes Protein spaltet. Um den Assay durchzuführen, wird zunächst eine "Standardkurve" erstellt, indem das Aktivitätsniveau verschiedener bekannter Konzentrationen des Toxins gemessen wird. Toxin, das aus unbekannten Proben isoliert wurde, kann dann dem Test unterzogen werden, und die Konzentration kann interpoliert werden, indem seine Aktivität mit der Standardkurve verglichen wird.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Entwicklung von Lösungen gesehen. Sie sollten nun verstehen, wann Sie verschiedene Einheiten zum Ausdrücken der Konzentration verwenden sollten, eine Demonstration zur Herstellung einer Lösung mit einer bestimmten Konzentration und schließlich einige Anwendungen, die die Bedeutung des Themas veranschaulichen.
Danke fürs Zuschauen!
