Oplossingen en concentraties
Bron: Laboratorium van Dr. Michael Evans — Georgia Institute of Technology
Een oplossing is een homogene mengsel die bepaalde componenten bevat in kle…
1. Preparatie van 100 mL van een 0,0100 M Sucrose Oplossing
- Bepaal het aantal mol en de massa van sucrose (C12H22O11) dat moet worden opgelost in 100 mL oplossing.
- Weeg de massa van sucrose op de weegschaal af. Plaats eerst een weegbootje op de weegschaal en stel het 'tare gewicht' in. Gebruik vervolgens een lepel om voorzichtig de vaste stof uit de reagentifles over te brengen naar het weegbootje tot het gewenste bedrag is verkregen.
- Plaats een poedertrechter in een schone en droge 100-mL maatkolf. Giet het vaste stof uit het weegbootje door de trechter in de kolf.
- Gebruik een wasflesje met gedistilleerd water (het oplosmiddel) om eventueel overgebleven vaste stof uit het weegbootje via de trechter in de kolf te spoelen.
- Voeg oplosmiddel toe met behulp van de gedistilleerd waterkraan totdat het vloeistofniveau de hals van de kolf bereikt (maar niet de merklijn). Sluit de kolf af en schudden voorzichtig om het opgeloste stof te laten oplossen.
- Zodra al het opgeloste stof is opgelost, gebruik een wasflesje om voorzichtig oplosmiddel toe te voegen totdat het vloeistofniveau de merklijn bereikt.
- Sluit de kolf en draai de maatkolf meerdere keren om te draaien om een goede menging van de oplossing te garanderen.
2. Een oververzadigde Sucrose Oplossing maken
- Voeg 100 mL gedistilleerd water toe aan een 600-mL beker.
- Voeg 220 g sucrose toe aan de beker.
- Plaats een magnetische roerbaar in de beker en laat het mengsel 15 minuten roeren.
- Bekijk het mengsel: niet al het sucrose is opgelost. Verwarm het mengsel tot 50 ºC en roer nog eens 10 minuten.
- Bekijk het mengsel: al het sucrose is opgelost bij 50 ºC.
- Laat de oplossing afkoelen tot kamertemperatuur. Bekijk de oplossing: het extra sucrose dat opgelost is bij 50 ºC blijft opgelost bij kamertemperatuur. De oplossing bij kamertemperatuur is oververzadigd.
Oplossingen zijn alomtegenwoordig in de chemie. Ze worden gebruikt om kleine hoeveelheden materiaal op te slaan en te hanteren, chemische reacties uit te voeren en materialen te ontwikkelen met controleerbare eigenschappen. Een oplossing is een homogene mengsel die bepaalde componenten bevat in kleine hoeveelheden, genoemd opgeloste stoffen, en één component in een grote hoeveelheid, genoemd het oplosmiddel. De hoeveelheid opgeloste stof in verhouding tot de totale hoeveelheid van een oplossing is bekend als de "concentratie". Afhankelijk van of het de massa, het volume of de hoeveelheid in mol van de oplossingcomponenten betreft, kan deze meting op verschillende manieren worden uitgedrukt, afhankelijk van de behoeften van het experiment. In deze video zullen we eerst de verschillende typen eenheden bekijken voor het meten van de concentratie van een oplossing. Vervolgens gaan we een protocol door voor het maken van een sucroseoplossing. Ten slotte bekijken we hoe concentratiemeting wordt gebruikt in diverse chemische toepassingen.
De concentratie van een oplossing kan in verschillende eenheden worden uitgedrukt, waarvan elk geschikter kan zijn voor bepaalde toepassingen dan andere. Een van de meest gebruikte eenheden is molariteit, wat de hoeveelheid opgeloste stof per volume oplossing is; één molair is gelijk aan één mol opgeloste stof per liter oplossing. Vanwege de eenvoud van het meten van de volumes van vloeistoffen is molariteit een van de handigste eenheden voor stoichiometrische berekeningen van reacties in oplossing. Stoichiometrie is gebaseerd op het aantal moleculen dat bij een reactie betrokken is. Daarom vereenvoudigt het kennen van de molariteit de berekening van de vereiste reagentia.
Wanneer concentratie wordt uitgedrukt als de hoeveelheid opgeloste stof per massa oplosmiddel, wordt de meting molal genoemd. Het volume van materialen verandert met temperatuur, dus het meten van concentratie met molal is voordelig bij het bestuderen van fysische eigenschappen van oplossingen, bekend als colligatieve eigenschappen, die temperatuurverschillen omvatten. Molfractie is een andere veelgebruikte concentratie-eenheid, en wordt gegeven door het aantal mol opgeloste stof per totaal aantal mol van alle oplossingcomponenten??opgeloste stoffen en oplosmiddel. Molfracties zijn bijvoorbeeld nuttig bij het onderzoeken van de "dampspanning" van oplossingen. Dit weerspiegelt de mate waarin opgeloste stof en oplosmiddeldeeltjes "ontsnappen" uit een vloeibare oplossing in de gasfase, omdat de molfractie gelijk is aan de verhouding van partiële drukken tot totale druk. Nu u weet hoe de concentratie van een oplossing kan worden gemeten, laten we een protocol doorlopen voor het maken van een oplossing met een specifieke molaire concentratie.
Begin door de massa sucrose te berekenen die nodig is, door eerst het gewenste volume en de concentratie van de oplossing te gebruiken om tot het aantal mol sucrose te komen, en vervolgens de moleculaire massa te gebruiken om naar massa te converteren. In dit voorbeeld wordt 100 mL van een 0,01 M sucroseoplossing gemaakt, dus 0,342 g zal nodig zijn. Om de vereiste massa sucrose af te wegen, plaatst u eerst een schone, lege weegschaal op de weegschaal. Stel het "taargewicht" in, wat betekent dat het gewicht van de lege weegschaal op nul wordt ingesteld. Gebruik vervolgens een lepel om het sucrosepoeder uit de reagensfles op de weegschaal te brengen tot het gewenste bedrag is verkregen. Plaats een poedertrechter in een schone, droge 100-mL volumetrische kolf. Giet voorzichtig de sucrose door de trechter. Gebruik een spoelfles met het oplosmiddel, in dit geval gedistilleerd water, om eventueel overgebleven vaste stof uit de weegschaal in de kolf te spoelen.
Voeg meer gedistilleerd water toe, maar stop voordat het de kalibratiemarkering bereikt. Doe de dop erop en zwiep voorzichtig om het vaste materiaal op te lossen. Het is belangrijk om de kolf op dit punt niet helemaal te vullen, omdat het moeilijk kan zijn voor het vaste materiaal om volledig op te lossen.
Zodra alle sucrose is opgelost, voegt u voorzichtig het oplosmiddel toe met behulp van een spoelfles totdat de onderkant van de meniscus de volumetrische graduatie bereikt. Doe de dop weer op de kolf en draai hem verscheidene keren om te zorgen voor volledige oplossing en menging.
Een oververzadigde oplossing is er een waarin meer opgeloste stof is opgelost dan verwacht zou worden, gezien de temperatuur of andere fysische eigenschappen van het oplosmiddel. De mate waarin dit is afhankelijk van de opgeloste stof, het oplosmiddel en de koelsnelheid. Oververzadiging wordt bereikt door eerst de opgeloste stof op te lossen in een toestand waarin de oplosbaarheid hoog is, en vervolgens snel de toestand van de oplossing te veranderen ? bijvoorbeeld door de temperatuur of het volume te verlagen ? sneller dan de opgeloste stofdeeltjes uit de oplossing kunnen komen. Op dit punt zou meer opgeloste stof in oplossing blijven onder de nieuwe omstandigheden dan mogelijk zou zijn door de opgeloste stof direct onder die omstandigheden op te lossen. Om een oververzadigde sucroseoplossing te maken, plaatst u eerst 100 mL water in een beker. Voeg een magnetische roerstaaf toe en roer op een hotplate. Voeg 220 g sucrose toe aan het roerende water en laat het sucrosemengsel gedurende 15 minuten roeren. Na 15 minuten merkt u op dat niet al het sucrose is opgelost. Op dit punt verwarmt u het mengsel tot 50 ?C. Blijf het mengsel nog eens 10 minuten roeren.
Bekijk de oplossing opnieuw. Al het sucrose zou in het 50 ?C-water moeten zijn opgelost. Laat de oplossing nu langzaam afkoelen tot kamertemperatuur en verwijder de roerstaaf. Merk op dat sucrose nog steeds opgelost blijft. De oplossing op kamertemperatuur is nu oververzadigd. Het toevoegen van zelfs een kleine hoeveelheid extra sucrosepoeder aan deze oplossing kan een snelle herkristallisatie van alle opgeloste sucrose veroorzaken.
Nu u hebt gezien hoe u oplossingen met specifieke concentraties kunt bereiden, laten we een paar voorbeelden bekijken van hoe he
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the difference between molarity and molality when measuring solution concentration?
Molarity measures moles of solute per liter of solution and is convenient for stoichiometric calculations because liquid volumes are easy to measure. Molality measures moles of solute per kilogram of solvent and is advantageous when studying colligative properties involving temperature differences, since volume changes with temperature but mass does not.
Q2: Why is mole fraction useful for investigating vapor pressure in solutions?
Mole fraction, calculated as moles of solute divided by total moles of all solution components, equals the ratio of partial pressures to total pressure. This direct relationship makes mole fraction ideal for studying vapor pressure, which reflects how solute and solvent particles escape from liquid into the gaseous phase.
Q3: What steps are involved in preparing a solution with a specific molar concentration?
First, calculate the required mass of solute using desired volume and molarity, then convert moles to grams. Weigh the solute, transfer it through a powder funnel into a volumetric flask, rinse with solvent, add more solvent until the meniscus reaches the calibration mark, cap, and invert several times to ensure complete mixing and dissolution.
Q4: How is a supersaturated solution created and what triggers recrystallization?
A supersaturated solution forms by dissolving solute under high-solubility conditions, then rapidly cooling or concentrating the solution faster than solute can precipitate. More solute remains dissolved than would normally be stable. Adding even a small amount of additional solute powder can trigger rapid recrystallization of all dissolved solute.
Q5: How does reactant concentration affect chemical reaction rates?
Higher reactant concentrations increase the likelihood that molecules will encounter each other and react, potentially increasing reaction rate. Additionally, increased concentrations of charged salt ions may favor aggregation of water-repelling molecules, further influencing reaction kinetics and determining rate laws and the order of reaction.
Q6: Why is concentration control important in protein crystallization for structural analysis?
Protein solutions are mixed with a precipitant salt at varying concentrations and pH. As water evaporates from the droplet to equilibrate precipitant concentration with a reservoir, the protein becomes increasingly supersaturated and eventually crystallizes. Precise concentration control ensures proteins arrange in a crystal lattice suitable for X-ray diffraction analysis.
Q7: How do scientists use concentration measurements to detect toxins in environmental samples?
Scientists generate a standard curve by measuring activity levels of known toxin concentrations. Unknown samples are then tested, and their toxin concentration is interpolated by comparing activity to the standard curve. This method allows detection of potentially fatal bacterial toxins like botulinum in food or water samples.