Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
General Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 
Click here for the English version

פתרונות וריכוזים

Overview

מקור: המעבדה של ד"ר מייקל אוונס — המכון הטכנולוגי של ג'ורג'יה

פתרון הוא תערובת הומוגנית המכילה כמה רכיבים בכמויות קטנות, הנקראים מסיסים, ורכיב אחד בכמות גדולה, הנקרא הממס. פתרונות נוזליים מוצקים מכילים מסיס מוצק אחד או יותר המומסים בממס נוזלי. פתרונות נמצאים בכל מקום בכימיה: הם משמשים לאחסון ומטפלים בכמויות קטנות של חומר, לבצע תגובות כימיות ולפתח חומרים עם תכונות הניתנות לשליטה.

הצפיפות של solute בתמיסה ידועה בשם הריכוז של solute. ריכוז יכול לבוא לידי ביטוי במספר דרכים, שונה ביחידות המשמשות להעברת כמויות של solute, ממס, פתרון.

הדגמה זו ממחישה כיצד להכין פתרון סוכרוז עם ריכוז יעד באמצעות טכניקות אנליטיות מדויקות. בנוסף, מוצגים ומוסברים אמצעים שונים לריכוז פתרון זה.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

כאשר שקועים במים, מוצקים רבים מתפרקים לחלקיקים (מולקולות או יונים) מוקפים במולקולות מים. תהליך זה של פירוק ממיר תערובת הטרוגנית של מוצק ונוזל לתערובת הומוגנית אחת המורכבת ממים נוזליים וחלקיקים מומסים. תהליך הפירוק של סוכרוז יכול להיכתב כמשוואה כימית באמצעות מייעדי השלבים המוצקים והמ מימיים. המציין (aq) בעקבות מין מרמז כי מולקולות מים מקיפות ומפתות מין זה.

Equation 1

פתרונות שונים עשויים להכיל מספרים שונים של חלקיקים מומסים, וריכוז הוא מדד המכמת את הצפיפות של חלקיקים מלולים בתוך פתרון. מדד בסיסי אחד לריכוז הוא שבר השומה (x) של ה- solute: מספר המולים של חלקיקים מלוטחים (nsolute) חלקי המספר הכולל של מולים של רכיבי פתרון (כולם מסיסים וממסים).

Equation 2

הכפלת שבר השומה ב-106 מעניקה לחלקים ריכוז של מיליון (ppm), מספר החלקיקים ההולכים למיליון חלקיקי תמיסה. מספר המולים של solute לליטר של פתרון, או טחנת (M), הוא מדד נפוץ שני של ריכוז.

Equation 3

ריכוז עשוי לבוא לידי ביטוי גם כחלקים על ידי מסה, השבר של מסת הפתרון בשל solute.

Equation 4

הכפלת החלקים בריכוז המוני ב-100% מעניקה למסה אחוז.

לבסוף, מוליות היא מידה של ריכוז המשתמש במסה של הממס, ולא את נפח הפתרון, כמדד של "גודל" של הפתרון. מוליות היא היחס בין מספר המולים של solute למסת הממס בקילוגרם.

Equation 5 

הכנה מדויקת ומדויקת של פתרון עם טחנת מטרה דורשת טכניקה אנליטית זהירה. יש לשקול בזהירות את ההמולה המוצקה ולהעבירה כמותית (לחלוטין) לבקבוק נפחי. לאחר מכן ניתן להוסיף את הממס בזהירות עד שהפתרון מגיע לסימן על כלי הזכוכית. לקבלת התוצאות הטובות ביותר, solute צריך להיות מותר להתמוסס לחלוטין בפחות מהנפח הכולל של ממס, וכל ממס שנותר יש להוסיף כאשר אין solute מוצק גלוי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. הכנת 100 מ"ל של פתרון סוכרוז 0.0100 M

  1. לקבוע את מספר שומות ומסה של סוכרוז (C12H22O11) להיות מומס ב 100 מ"ל של פתרון.
    Equation 6
  2. לשקול את המסה של סוכרוז על האיזון. מקום ראשון סירת שקילה על האיזון ולהגדיר את "משקל טרה". לאחר מכן באמצעות scoopula, בזהירות להעביר מוצק solute מבקבוק ריאגנט לסירה שקילה עד הסכום הרצוי מתקבל.
  3. מניחים משפך אבקה לתוך בקבוק נפחי נקי ויבש של 100 מ"ל. יוצקים את המוצק מסירת השקילה דרך המשפך לתוך הבקבוקון.
  4. באמצעות בקבוק כביסה המכיל מים מזוקקים (הממס), לשטוף את כל מוצק שנותר מסירת שק דרך משפך לתוך הבקבוקון.
  5. מוסיפים ממס באמצעות ברז המים המזוקקים עד שמפלס הנוזל מגיע לצוואר הבקבוקון (אך לא לסימן). מכסים ומערבבים את הבקבוק בעדינות כדי להמיס את ההמולה.
  6. לאחר שכל solute נמס, להשתמש בבקבוק לשטוף כדי להוסיף ממס בזהירות עד לרמת הנוזל מגיע לסימן.
  7. לכסות והפוך את הבקבוקון נפחי מספר פעמים כדי להבטיח ערבוב טוב של הפתרון.

2. הכנת פתרון סוכרוז רווי

  1. הוסיפו 100 מ"ל של מים מזוקקים למכה של 600 מ"ל.
  2. מוסיפים 220 גרם סוכרוז לתחנית.
  3. מניחים בר מערבב מגנטי בכיסת ומאפשרים לתערובת לבחוש במשך 15 דקות.
  4. לבחון את התערובת: לא כל סוכרוז נמס. מחממים את התערובת ל 50 מעלות צלזיוס ומערבבים במשך 10 דקות נוספות.
  5. לבחון את התערובת: כל סוכרוז יש מומס ב 50 מעלות צלזיוס.
  6. אפשר לפתרון להתקרר לטמפרטורת החדר. בדוק את הפתרון: סוכרוז נוסף שהתמוסס ב 50 מעלות צלזיוס נשאר מומס בטמפרטורת החדר. הפתרון בטמפרטורת החדר הוא רווי.

פתרונות נמצאים בכל מקום בכימיה. הם משמשים לאחסון ומטפלים בכמויות קטנות של חומר, לבצע תגובות כימיות, ולפתח חומרים עם תכונות לשליטה. פתרון הוא תערובת הומוגנית המכילה כמה רכיבים בכמויות קטנות, הנקראים מסיסים, ורכיב אחד בכמות גדולה, הנקרא הממס. כמות solute ביחס לכמות הכוללת של פתרון ידוע בשם "הריכוז" שלה. תלוי אם זה המסה, נפח, או כמות מולים של רכיבי הפתרון כי הם נחשבים, מדידה זו יכולה לבוא לידי ביטוי במספר דרכים שונות, על פי הצרכים של הניסוי. בסרטון זה נסקור תחילה את סוגי היחידות השונים למדידת ריכוז הפתרון. לאחר מכן נעבור על פרוטוקול להכנת פתרון סוכרוז. לבסוף, נבחן כיצד נעשה שימוש במדידת ריכוז ביישומים כימיים מגוונים.

ריכוז הפתרון יכול לבוא לידי ביטוי במספר יחידות שונות, שכל אחת מהן עשויה להתאים יותר ליישומים מסוימים מאחרות. אחת היחידות הנפוצות ביותר היא הטוחנות, שהיא כמות solute לכל נפח של פתרון; טחנת אחת שווה שומה אחת של solute לליטר של פתרון. בשל הפשטות של מדידת נפחי הנוזלים, הטוחנת היא אחת היחידות הנוחות ביותר לחישובים סטויצ'יומטריים של תגובות בתמיסה. סטויצ'ומטריה מבוססת על מספר המולקולות המעורבות בתגובה. לכן, ידיעת הטוחנת מפשטת את החישוב של ריאגנטים נדרשים.

כאשר הריכוז מתבטא ככמות של solute לכל מסה של ממס, המדידה נקראת מוליות. נפח החומרים משתנה עם הטמפרטורה, ולכן מדידת ריכוז עם מוליות היא יתרון בעת לימוד תכונות פיזיות של פתרונות, המכונה תכונות קולגיקטיביות, אשר כרוכים הבדלי טמפרטורה. שבר שומה הוא יחידת ריכוז נפוצה נוספת, והוא ניתן על ידי מספר השומות של solute לכל מספר כולל של שומות של כל רכיבי הפתרון - מסיסים וממס. שברי שומה שימושיים, למשל, בעת חקירת "לחץ האדים" של פתרונות. זה משקף את המידה שבה חלקיקים ממסים וממסים "בורחים" מפתרון נוזלי לשלב הגזי, שכן שבר השומה שווה ליחס של לחצים חלקיים ללחץ מוחלט. עכשיו שיש לך מושג איך הריכוז של פתרון ניתן למדוד, בואו נעבור פרוטוקול להכנת פתרון עם ריכוז שן הטוחנת ספציפית.

התחל על ידי חישוב המסה של סוכרוז הדרוש, על ידי שימוש תחילה בנפח הרצוי וריכוז של הפתרון כדי להגיע למספר מולים של סוכרוז, ולאחר מכן באמצעות המסה המולקולרית להמיר למסה. בדוגמה זו, 100 מ"ל של פתרון סוכרוז 0.01 M נעשה, כך 0.342 גרם יהיה צורך. כדי לשקול את המסה הנדרשת של סוכרוז, ראשית, מקום נקי, ריק לשקול סירה על האיזון. הגדר את "משקל טרה", כלומר הגדרת המשקל של סירת השקילה הריקה כאפס. לאחר מכן, באמצעות סקופולה, להעביר את אבקת סוכרוז מבקבוק ריאגנט על סירת שקילה עד הסכום הרצוי מתקבל. מניחים משפך אבקה לתוך בקבוקון נפחי נקי ויבש של 100 מ"ל. יוצקים בזהירות את הסורוז דרך המשפך. באמצעות בקבוק כביסה המכיל את הממס, במקרה זה מים מזוקקים, לשטוף כל מוצק שנותר מסירת שקילה לתוך הבקבוקון.

מוסיפים עוד מים מזוקקים, אך עוצרים לפני שהם מגיעים לסימן הכיול. מכסים ומערבבים בעדינות כדי להמיס את המוצק. חשוב לא למלא את הבקבוקון כל הדרך בשלב זה, כפי שהוא עשוי להיות קשה עבור מוצק להתמוסס באופן מלא.

לאחר שכל הסוכרוז נמס, מוסיפים בזהירות את הממס באמצעות בקבוק כביסה עד שתחתית המניסקוס מגיעה לסיום הכרך. מכסים שוב את הבקבוקון והופכים אותו מספר פעמים כדי להבטיח פירוק וערבוב מלאים.

פתרון רווי הוא אחד שבו יותר solute מומס אז היה צפוי, בהתחשב בטמפרטורה או תכונות פיזיות אחרות של הממס. המידה שבה מבוססת על ההמולה, הממס וקצב הקירור. רוויית-על מושגת על ידי המסת ההמולה תחילה במצב שבו המסיסות גבוהה, ולאחר מכן שינוי מהיר של מצב הפתרון - למשל, הפחתת הטמפרטורה או נפחו - מהר יותר מאשר החלקיקים הנוחים יכולים לצאת מהפתרון. בשלב זה, יותר solute יישאר פתרון בתנאים החדשים מאשר יהיה אפשרי על ידי המסת solute ישירות בתנאים אלה. כדי ליצור פתרון סוכרוז רווי, במקום הראשון 100 מל של מים לתוך. מוסיפים מוט ערבוב מגנטי, ואז מערבבים על צלחת חמה. מוסיפים 220 גרם סוכרוז לתוך המים המערבבים, ומאפשרים לתערובת סוכרוז לבחוש במשך 15 דקות. לאחר 15 דקות, שימו לב שלא כל הסוכרוז נמס. בשלב זה, לחמם את התערובת ל 50 °C (50 °F). ממשיכים לערבב את התערובת במשך 10 דקות נוספות.

בדוק את הפתרון שוב. כל הסוכרוז היה צריך להיות מומס במים 50 מעלות צלזיוס. עכשיו, תן לפתרון להתקרר לאט לטמפרטורת החדר ולהסיר את בר הערבוב. שים לב כי סוכרוז עדיין נשאר מומס. פתרון טמפרטורת החדר הוא עכשיו רווי. הוספת אפילו כמות קטנה של אבקת סוכרוז נוספת לתוך פתרון זה יכול לעורר recrystallization מהיר של כל סוכרוז מומס.

עכשיו לאחר שראיתם כיצד להכין פתרונות עם ריכוזים ספציפיים, בואו נסתכל על כמה דוגמאות כיצד הרעיון יכול להיות שיקול חשוב עבור יישומים שונים.

ריכוז ריאגנטים, רכיבי ממס, ורכיבים אחרים של תגובה כימית לעתים קרובות יש השפעה משמעותית על קצב המוצרים של התגובה. ריכוזים גבוהים יותר של מגיבים מגדילים את הסבירות שהמולקולות ייתקלו זו בזו ויגיבו, ובכך עשויים להגדיל את קצב התגובה. יחד עם זאת, ריכוזים מוגברים של יונים מלוחים טעונים בתמיסה עשויים גם להעדיף את הצטברות של מולקולות הידרופוביות, או "דוחות מים".

חוקרים כאן חקרו את ההרכבה העצמית של מולקולה מורכבת לפולימרים ארוכים בנוכחות ריכוזים שונים של מלח בממס התגובה. הם מצאו כי בריכוזים גבוהים יותר של מלח, הרכבה של המולקולות לתוך פולימרים מתרחשת בקלות רבה יותר.

הריכוז משפיע גם על קצב התהליכים הפיזיים כגון התגבשות. ביולוגים מגבשים לעתים קרובות מולקולות כגון חלבונים, שם הם מסודרים בצורה מסודרת בסריג קריסטל, כך שניתן להסיק את המבנה שלהם על ידי לימוד כיצד קרני רנטגן מתפזרות דרך גבישים אלה. כדי לגבש חלבונים, פתרונות חלבון מעורבבים עם "משקעים", בדרך כלל מלח מסוג כלשהו, בריכוזים שונים ו- pH. טיפה של תערובת זו מוכנסת לאחר מכן לתא סגור עם מאגר של פתרון משקעים מרוכז יותר. כאשר המים מתאדים מטיפות תמיסת החלבון על מנת לשקם את ריכוז המשקעים בין הטיפה למאגר, החלבון הופך להיות רווי יותר ויותר ובסופו של דבר מתגבש מתוך התמיסה. לקבלת מידע נוסף, עיין בסרטון שלנו על גידול גבישים.

לבסוף, הבנה של ריכוז חשוב להערכת רמות של רעלים בסביבה. בדוגמה זו, מדענים פיתחו בדיקת ניסיון כדי לזהות את כמות הרעלן החיידקי שעלול להיות קטלני בדגימות מזון או מים, על ידי זיהוי המידה שבה הרעלן נצמד לחלבון מסוים. כדי לבצע את ההסתה, "עקומת תקן" נוצרת תחילה על ידי מדידת רמת הפעילות של ריכוזים ידועים שונים של הרעלן. רעלן מבודד מדגימות לא ידועות יכול להיות נתון לבדיקה, ואת הריכוז יכול להיות interpolated על ידי השוואת פעילותו לעקומה הסטנדרטית.

הרגע צפית בהקדמה של JoVE ליצירת פתרונות. עכשיו אתה צריך להבין מתי להשתמש ביחידות שונות כדי להביע ריכוז, הדגמה להכנת פתרון עם ריכוז מסוים, ולבסוף, כמה יישומים הממחישים את חשיבות הנושא.

תודה שצפיתם!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

שלב הליך 1 יוצר 100 מ"ל של פתרון סוכרוז 0.0100 M. כדי להמיר למדידות ריכוז שאינן טוחנות, לקבוע את המסה של מים המשמשים להכנת הפתרון. למרות שניתן למדוד זאת במדויק, בהיעדר מדידה ניתן להניח כי נפח החלקיקים המומסים הוא זניח (כלומר, נפח המים בהם נעשה שימוש היה 100 מ"ל). באמצעות צפיפות המים...

Equation 7

המולת של סוכרוז בפתרון זה היא אפוא:

Equation 8

החלקים על ידי מסה של סוכרוז שווה ל:

Equation 9

שבר השומה של סוכרוז ניתן לחשב על ידי קביעת מספר השומות ב 100 גרם של מים וחלוקת כמות סוכרוז על ידי הכמות הכוללת של חלקיקים בתמיסה.

Equation 10

שלב הליך 2 ממחיש כי המסיסות של סוכרוז במים תלויה בטמפרטורה. עם החימום, סוכרוז לא פתור נח בתמיסה רוויה מתמוסס, ויוצר פתרון רווי של ריכוז גבוה יותר בטמפרטורה גבוהה יותר. כאשר פתרון זה מתקרר, סוכרוז אינו לזרז את הפתרון. הפתרון מקורר וכתוצאה מכך הוא רווי סוכרוז. הוספת אפילו כמות קטנה של אבקת סוכרוז נוספת לתוך פתרון זה יכול לעורר recrystallization מהיר של כל סוכרוז מומס.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

פתרונות נוזליים מוצקים נמצאים בכל מקום בכימיה. רוב התגובות הכימיות מופעלות בתמיסה מכיוון שמסיסים מומסים ניידים מספיק כדי לערבב במהירות ולהתנגש זה בזה. ניתן להשתמש בפתרונות גם לאחסון כמויות קטנות של מסיסים באמצעי אחסון מקרוסקופיים וקלים לטיפול. פתרונות מציגים כמה תכונות פיזיות מעניינות הנקראות תכונות קולגיקטיביות שניתן לייחס להשפעות האנטרופיות של המסת solute בממס.

אפשר לתהות מדוע קיימים כל כך הרבה מדדים שונים של ריכוז פתרונות. התשובה טמונה ביישומי הפתרונות הרבים ובסדרי הגודל הרבים שעליהם משתרעים הריכוזים. בדגימות של מים מהסביבה, למשל, ריכוזים של יונים ממתכת יכולים להיות בטווח של כמה חלקים למיליון — זה לא מעשי ועלול להטעות לבטא את הריכוז הזעיר הזה כשבר טוחנת או שומה. למרות שהטחונה היא מדד נוח לריכוז לחישובי סטואיצ'ומטריה הכוללים תגובות כימיות, מוליות מתאימה יותר במחקרים של תכונות קולגיקטיביות מסוימות.

שכלול הטכניקה של הכנת פתרון חשוב, כי בהקשרים רבים, ידע מדויק של ריכוז הוא חיוני. כאשר מפעילים תגובה כימית, למשל, שימוש ביותר מדי או מעט מדי solute עלול לגרום מגיבים מבוזבזים או תשואות מוצר נמוכות. מחקרים על יחסים אמפיריים הכרוכים בריכוז, כגון חוק באר, תלויים בריכוזים ידועים בדיוק. לעתים קרובות, חוסר סייג בריכוזים של פתרונות מוביל ישירות לאי ודאות בערכים מחושבים, כגון אנטלפות תגובה. למרות שאי אפשר לבטל לחלוטין את חוסר ההסתה, השימוש בטכניקות אנליטיות להכנת פתרונות מבטיח כי אי הוודאות ממוזערת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter