Растворы и концентрации

Растворы широко распространены в химии. Они используются для хранения и обработки небольших объемов материала, проведения химических реакций и разработки материалов с контролируемыми свойствами. Раствор представляет собой однородную смесь, содержащую некоторые компоненты в небольших количествах, называемые растворенными веществами, и один компонент в большом количестве, называемый растворителем. Количество растворенного вещества относительно общего количества раствора известно как его «концентрация». В зависимости от того, идет ли речь о массе, объеме или количестве в молях компонентов раствора, это измерение может быть выражено различными способами в соответствии с потребностями эксперимента. В этом видео мы сначала рассмотрим различные типы единиц измерения концентрации раствора. Затем мы рассмотрим протокол приготовления раствора сахарозы. Наконец, мы рассмотрим, как измерение концентрации используется в различных химических приложениях.

Концентрация раствора может быть выражена в ряде различных единиц, каждая из которых может быть более пригодной для конкретных применений, чем другие. Одной из наиболее часто используемых единиц измерения является молярность, которая представляет собой количество растворенного вещества в объеме раствора; Один моляр эквивалентен одному молю растворенного вещества на литр раствора. Благодаря простоте измерения объемов жидкостей, молярность является одной из наиболее удобных единиц для стехиометрических расчетов реакций в растворе. Стехиометрия основана на количестве молекул, участвующих в реакции. Таким образом, знание молярности упрощает расчет необходимых реагентов.

Когда концентрация выражается в виде количества растворенного вещества на массу растворителя, это измерение называется моляльностью. Объем материалов изменяется с температурой, поэтому измерение концентрации с моляльностью полезно при изучении физических свойств растворов, известных как коллигативные свойства, которые включают в себя разницу температур. Молярная фракция является еще одной распространенной единицей концентрации и определяется количеством молей растворенного вещества на общее количество молей всех компонентов раствора ?? растворители и растворители. Молярные фракции полезны, например, при исследовании «давления пара» растворов. Это отражает степень, в которой частицы растворенного вещества и растворителя «убегают» из жидкого раствора в газообразную фазу, так как молярная доля равна отношению парциальных давлений к общему давлению. Теперь, когда у вас есть представление о том, как можно измерить концентрацию раствора, давайте рассмотрим протокол приготовления раствора с определенной молярной концентрацией.

Начните с вычисления необходимой массы сахарозы, сначала используя желаемый объем и концентрацию раствора, чтобы получить количество молей сахарозы, а затем используя молекулярную массу для преобразования в массу. В этом примере производится 100 мл 0,01 М раствора сахарозы, поэтому потребуется 0,342 г. Чтобы отвесить необходимую массу сахарозы, сначала поставьте на весы чистую пустую лодку для взвешивания. Установите «вес тары», что означает установку веса пустой весовой лодки равным нулю. Затем с помощью совки переложите порошок сахарозы из флакона с реагентом на весовую лодку до тех пор, пока не будет получено нужное количество. Поместите воронку для порошка в чистую сухую мерную колбу объемом 100 мл. Аккуратно влейте сахарозу через воронку. С помощью промывочной бутылки, содержащей растворитель, в данном случае дистиллированную воду, смойте все оставшиеся твердые частицы из весового катера в колбу.

Добавьте еще дистиллированной воды, но остановитесь, прежде чем она достигнет калибровочной отметки. Заколотите крышкой и аккуратно взболтайте, чтобы растворить твердое вещество. Важно не заполнять колбу до конца на этом этапе, так как твердому веществу может быть трудно полностью раствориться.

Как только вся сахароза растворится, осторожно добавьте растворитель с помощью промывочной бутылки до тех пор, пока дно мениска не достигнет объемной градации. Снова закройте колбу крышкой и переверните ее несколько раз, чтобы обеспечить полное растворение и перемешивание.

Пересыщенный раствор – это раствор, в котором растворено больше растворенного вещества, чем можно было бы ожидать, учитывая температуру или другие физические свойства растворителя. Степень которого зависит от растворенного вещества, растворителя и скорости охлаждения. Пересыщение достигается путем сначала растворения растворенного вещества в условиях высокой растворимости, а затем быстрого изменения состояния раствора ? Например, уменьшение его температуры или объема ? быстрее, чем растворенные частицы могут выходить из раствора. В этот момент в растворе при новых условиях останется больше растворенного вещества, чем это было бы возможно при непосредственном растворении растворенного вещества в этих условиях. Чтобы получить перенасыщенный раствор сахарозы, сначала налейте в стакан 100 мл воды. Добавьте магнитную мешалку, затем перемешайте на горячей плите. Добавьте 220 г сахарозы в воду для помешивания и дайте смеси сахарозы помешаться в течение 15 минут. Через 15 минут обратите внимание, что не вся сахароза растворилась. На этом этапе нагрейте смесь до 50 °C. Продолжайте помешивать смесь еще 10 минут.

Еще раз исследуйте раствор. Вся сахароза должна была раствориться в 50 ? C?water. Теперь дайте раствору медленно остыть до комнатной температуры и снимите мешалку. Обратите внимание, что сахароза все еще остается растворенной. Раствор комнатной температуры теперь пересыщен. Добавление в этот раствор даже небольшого количества дополнительного порошка сахарозы может спровоцировать быструю рекристаллизацию всей растворенной сахарозы.

Теперь, когда вы узнали, как готовить растворы с определенной концентрацией, давайте рассмотрим несколько примеров того, как эта концепция может быть важным фактором для различных применений.

Концентрация реагентов, компонентов растворителей и других компонентов химической реакции часто оказывает существенное влияние на скорость продуктов реакции. Более высокие концентрации реагентов увеличивают вероятность того, что молекулы встретятся друг с другом и вступят в реакцию, тем самым потенциально увеличивая скорость реакции. В то же время повышенная концентрация заряженных ионов соли в растворе также может способствовать агрегации гидрофобных или «водоотталкивающих» молекул.

Исследователи изучали самосборку сложной молекулы в длинные полимеры в присутствии различных концентраций соли в реакционном растворителе. Они обнаружили, что при более высоких концентрациях соли сборка молекул в полимеры происходит более легко.

Концентрация также влияет на скорость физических процессов, таких как кристаллизация. Биологи часто кристаллизуют молекулы, такие как белки, где они аккуратно располагаются в кристаллической решетке, поэтому их структуру можно определить, изучая, как рентгеновские лучи дифрагируют через эти кристаллы. Для кристаллизации белков белковые растворы смешивают с «осадком», обычно солью того или иного рода, в разных концентрациях и при разном pH. Капля этой смеси затем помещается в закрытую камеру с резервуаром с более концентрированным раствором осадка. По мере того, как вода испаряется из капли раствора белка для того, чтобы уравновесить концентрацию осадка между каплей и резервуаром, белок становится все более перенасыщенным и в конечном итоге кристаллизуется из раствора. Более подробную информацию смотрите в нашем видео о выращивании кристаллов.

Наконец, понимание концентрации важно для оценки уровня токсинов в окружающей среде. В этом примере ученые разработали анализ для определения количества потенциально смертельного бактериального токсина ботулотоксина в образцах пищи или воды, определяя, в какой степени токсин расщепляет определенный белок. Для проведения анализа сначала генерируется «стандартная кривая» путем измерения уровня активности различных известных концентраций токсина. Токсин, выделенный из неизвестных образцов, затем может быть подвергнут испытанию, а концентрация может быть интерполирована путем сравнения его активности со стандартной кривой.

Вы только что посмотрели введение JoVE в создание решений. Теперь вы должны понять, когда следует использовать различные единицы измерения для выражения концентрации, демонстрацию для создания раствора с определенной концентрацией и, наконец, несколько приложений, иллюстрирующих важность темы.

Спасибо за просмотр!