1.2: Roztwory i stężenia

1. Przygotowanie 100 ml 0,0100 M roztworu sacharozy

1. Określić liczbę moli i masę sacharozy (C₁₂H₂₂O₁₁) do rozpuszczenia w 100 ml roztworu.
   
2. Odważyć masę sacharozy na wadze. Najpierw umieść łódkę wagową na wadze i ustaw "tarę". Następnie za pomocą czerpaka ostrożnie przenieś stałą substancję rozpuszczoną z butelki z odczynnikiem do łodzi wagowej, aż do uzyskania żądanej ilości.
3. Umieścić lejek z proszkiem w czystej i suchej kolbie miarowej o pojemności 100 ml. Wlać ciało stałe z łodzi wagowej przez lejek do kolby.
4. Używając butelki do mycia zawierającej wodę destylowaną (rozpuszczalnik), wypłukać wszelkie pozostałe ciała stałe z łodzi wagowej przez lejek do kolby.
5. Dodaj rozpuszczalnik za pomocą kranu z wodą destylowaną, aż poziom cieczy dotrze do szyjki kolby (ale nie do znaku). Zakryć i delikatnie zakręcić kolbą, aby rozpuścić substancję rozpuszczoną.
6. Gdy cała substancja rozpuszczona się rozpuści, użyj butelki do mycia, aby ostrożnie dodać rozpuszczalnik, aż poziom cieczy osiągnie znak.
7. Zakryj i odwróć kolbę miarową kilka razy, aby zapewnić dobre wymieszanie roztworu.

2. Przygotowanie przesyconego roztworu sacharozy

1. Dodaj 100 ml wody destylowanej do zlewki o pojemności 600 ml.
2. Dodaj 220 g sacharozy do zlewki.
3. Umieść mieszadło magnetyczne w zlewce i pozwól mieszaninie mieszać przez 15 minut.
4. Zbadaj mieszaninę: nie cała sacharoza się rozpuściła. Podgrzej mieszaninę do 50 ºC i mieszaj przez dodatkowe 10 minut.
5. Zbadać mieszaninę: cała sacharoza rozpuściła się w temperaturze 50 °C.
6. Pozostawić roztwór do ostygnięcia do temperatury pokojowej. Zbadać roztwór: dodatkowa sacharoza, która rozpuszczona w temperaturze 50 °C, pozostaje rozpuszczona w temperaturze pokojowej. Roztwór w temperaturze pokojowej jest przesycony.

Rozwiązania są wszechobecne w chemii. Służą do przechowywania i przenoszenia niewielkich ilości materiału, przeprowadzania reakcji chemicznych i opracowywania materiałów o kontrolowanych właściwościach. Roztwór to jednorodna mieszanina zawierająca niektóre składniki w małych ilościach, zwane substancjami rozpuszczonymi, i jeden składnik w dużej ilości, zwany rozpuszczalnikiem. Ilość substancji rozpuszczonej w stosunku do całkowitej ilości roztworu jest znana jako jego "stężenie". W zależności od tego, czy rozważana jest masa, objętość czy ilość w molach składników roztworu, pomiar ten można wyrazić na wiele różnych sposobów, w zależności od potrzeb eksperymentu. W tym filmie najpierw przyjrzymy się różnym typom jednostek do pomiaru stężenia roztworu. Następnie przejdziemy przez protokół przygotowania roztworu sacharozy. Na koniec przyjrzymy się, w jaki sposób pomiar stężenia jest wykorzystywany w różnych zastosowaniach chemicznych.

Stężenie roztworu może być wyrażone w wielu różnych jednostkach, z których każda może być bardziej odpowiednia dla określonych zastosowań niż inne. Jedną z najczęściej stosowanych jednostek jest molowość, czyli ilość substancji rozpuszczonej na objętość roztworu; Jeden ząb trzonowy odpowiada jednemu molowi substancji rozpuszczonej na litr roztworu. Ze względu na prostotę pomiaru objętości cieczy, molowość jest jedną z najwygodniejszych jednostek do obliczeń stechiometrycznych reakcji w roztworze. Stechiometria opiera się na liczbie cząsteczek biorących udział w reakcji. Dlatego znajomość molowości upraszcza obliczanie wymaganych odczynników.

Gdy stężenie jest wyrażone jako ilość substancji rozpuszczonej na masę rozpuszczalnika, pomiar nazywa się molalnością. Objętość materiałów zmienia się wraz z temperaturą, dlatego pomiar stężenia za pomocą molalności jest korzystny przy badaniu właściwości fizycznych roztworów, znanych jako właściwości koligatywne, które obejmują różnice temperatur. Ułamek molowy jest kolejną powszechną jednostką stężenia i jest podawany przez liczbę moli substancji rozpuszczonej na całkowitą liczbę moli wszystkich składników roztworu ?? substancje rozpuszczone i rozpuszczalnik. Frakcje molowe są przydatne na przykład podczas badania "prężności pary" roztworów. Odzwierciedla to stopień, w jakim cząstki substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika "uciekają" z ciekłego roztworu do fazy gazowej, ponieważ ułamek molowy jest równy stosunkowi ciśnień cząstkowych do ciśnienia całkowitego. Teraz, gdy masz już pojęcie o tym, jak można zmierzyć stężenie roztworu, przejdźmy do protokołu sporządzania roztworu o określonym stężeniu molowym.

Zacznij od obliczenia potrzebnej masy sacharozy, najpierw używając żądanej objętości i stężenia roztworu, aby uzyskać liczbę moli sacharozy, a następnie używając masy cząsteczkowej do przeliczenia na masę. W tym przykładzie wytwarza się 100 ml 0,01 M roztworu sacharozy, więc potrzebne będzie 0,342 g. Aby odważyć wymaganą masę sacharozy, najpierw umieść na wadze czystą, pustą łódkę ważącą. Ustaw "tarę", co oznacza ustawienie masy pustej łodzi wagowej na zero. Następnie, za pomocą czerpaka, przenieś sacharozę w proszku z butelki z odczynnikiem na łódkę wagową, aż do uzyskania żądanej ilości. Umieścić lejek z proszkiem w czystej, suchej kolbie miarowej o pojemności 100 ml. Ostrożnie przelej sacharozę przez lejek. Używając butelki do mycia zawierającej rozpuszczalnik, w tym przypadku wodę destylowaną, wypłukać wszelkie pozostałe ciała stałe z łodzi wagowej do kolby.

Dodaj więcej wody destylowanej, ale przestań, zanim osiągnie znak kalibracji. Zakręć i delikatnie zamieszaj, aby rozpuścić ciało stałe. Ważne jest, aby w tym momencie nie napełniać kolby do końca, ponieważ może być trudno o całkowite rozpuszczenie ciała stałego.

Gdy cała sacharoza się rozpuści, ostrożnie dodaj rozpuszczalnik za pomocą butelki do mycia, aż dno menisku osiągnie podziałkę objętościową. Ponownie zakryć kolbę i kilkakrotnie ją odwrócić, aby zapewnić całkowite rozpuszczenie i wymieszanie.

Roztwór przesycony to taki, w którym rozpuszczona jest większa ilość substancji rozpuszczonej, niż można by się spodziewać, biorąc pod uwagę temperaturę lub inne właściwości fizyczne rozpuszczalnika. Stopień, w jakim zależy to od substancji rozpuszczonej, rozpuszczalnika i szybkości chłodzenia. Przesycenie osiąga się najpierw przez rozpuszczenie substancji rozpuszczonej w stanie, w którym rozpuszczalność jest wysoka, a następnie gwałtowną zmianę stanu roztworu ? Na przykład zmniejszając jego temperaturę lub głośność ? szybciej niż cząstki substancji rozpuszczonej mogą wydostać się z roztworu. W tym momencie więcej substancji rozpuszczonej pozostałoby w roztworze w nowych warunkach, niż byłoby to możliwe przez rozpuszczenie substancji rozpuszczonej bezpośrednio w tych warunkach. Aby stworzyć przesycony roztwór sacharozy, najpierw umieść 100 ml wody w zlewce. Dodaj magnetyczny pręt mieszający, a następnie wymieszaj na gorącym talerzu. Dodaj 220 g sacharozy do mieszającej wody i pozwól mieszaninie sacharozy mieszać przez 15 minut. Po 15 minutach należy zauważyć, że nie cała sacharoza się w całości. W tym momencie podgrzej mieszaninę do 50 °C. Kontynuuj mieszanie mieszaniny przez dodatkowe 10 minut.

Ponownie zbadaj roztwór. Cała sacharoza powinna była zostać rozpuszczona w ciągu 50 ? C?woda. Teraz pozwól roztworowi powoli ostygnąć do temperatury pokojowej i wyjmij mieszadło. Zauważ, że sacharoza nadal pozostaje rozpuszczona. Roztwór o temperaturze pokojowej jest teraz przesycony. Dodanie nawet niewielkiej ilości dodatkowej sacharozy w proszku do tego roztworu może wywołać szybką rekrystalizację całej rozpuszczonej sacharozy.

Teraz, gdy już wiesz, jak przygotowywać roztwory o określonych stężeniach, przyjrzyjmy się kilku przykładom, w jaki sposób koncepcja ta może być ważnym czynnikiem w różnych zastosowaniach.

Stężenie odczynników, składników rozpuszczalników i innych składników reakcji chemicznej często ma znaczący wpływ na szybkość produktów reakcji. Wyższe stężenia reagentów zwiększają prawdopodobieństwo, że cząsteczki spotkają się ze sobą i zareagują, potencjalnie zwiększając w ten sposób szybkość reakcji. Jednocześnie zwiększone stężenia naładowanych jonów soli w roztworze mogą również sprzyjać agregacji cząsteczek hydrofobowych lub "odpychających wodę".

Naukowcy badali samoorganizację złożonej cząsteczki w długie polimery w obecności różnych stężeń soli w rozpuszczalniku reakcyjnym. Odkryli, że przy wyższych stężeniach soli łączenie cząsteczek w polimery zachodzi łatwiej.

Koncentracja wpływa również na szybkość procesów fizycznych, takich jak krystalizacja. Biolodzy często krystalizują cząsteczki, takie jak białka, gdzie układają się one starannie w sieć krystaliczną, dzięki czemu ich strukturę można wydedukować, badając, jak promieniowanie rentgenowskie ulega dyfrakcji przez te kryształy. Aby skrystalizować białka, roztwory białek miesza się z "strącaczem", zwykle pewnego rodzaju solą, o różnych stężeniach i pH. Kroplę tej mieszaniny umieszcza się następnie w zamkniętej komorze ze zbiornikiem bardziej stężonego roztworu strącającego. Gdy woda odparowuje z kropelki roztworu białkowego w celu zrównoważenia stężenia środka strącającego między kroplą a zbiornikiem, białko staje się coraz bardziej przesycone i ostatecznie krystalizuje z roztworu. Aby uzyskać więcej informacji, zobacz nasz film na temat uprawy kryształów.

Wreszcie, zrozumienie stężenia jest ważne dla oceny poziomu toksyn w środowisku. W tym przykładzie naukowcy opracowali test do wykrywania ilości potencjalnie śmiertelnej toksyny bakteryjnej botuliny w próbkach żywności lub wody, wykrywając stopień, w jakim toksyna rozszczepia określone białko. Aby przeprowadzić test, najpierw generowana jest "krzywa wzorcowa" poprzez pomiar poziomu aktywności różnych znanych stężeń toksyny. Toksyna wyizolowana z nieznanych próbek może być następnie poddana testowi, a stężenie można interpolować, porównując jej aktywność z krzywą standardową.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do tworzenia rozwiązań. Powinieneś teraz zrozumieć, kiedy używać różnych jednostek do wyrażania koncentracji – demonstracji do sporządzania roztworu o określonym stężeniu – i wreszcie kilku zastosowań, które ilustrują znaczenie tematu.

Dzięki za oglądanie!