Overview
Fonte: Laboratorio del Dr. Neal Abrams - SUNY College of Environmental Science and Forestry
Determinare la composizione di una soluzione è un'importante tecnica analitica e forense. Quando le soluzioni sono fatte con acqua, si parla di acqua o contenenti acqua. Il componente primario di una soluzione è indicato come solvente e il componente minore disciolto è chiamato soluto. Il soluto viene sciolto nel solvente per creare una soluzione. L'acqua è il solvente più comune nella vita di tutti i giorni, così come quasi tutti i sistemi biologici. Nei laboratori di chimica, il solvente può essere un altro liquido, come acetone, etere o alcol. Il soluto può essere un liquido o un solido, ma questo esperimento affronta solo la determinazione dei solidi.
Principles
Quando un soluto viene disciolto in un solvente, la massa della soluzione risultante è una somma della massa del soluto e del solvente. Questo segue la Legge di Conservazione della Messa:
Questo differisce dall'aggiunta di volumi, che è notadditive, poiché le molecole del soluto si inseriscono in spazi aperti tra le molecole del solvente e mantengono il volume totale inferiore al previsto. Determinare la percentuale in massa è una tecnica semplice e importante per analizzare la composizione di una soluzione. Per definizione, una percentuale è un valore frazionario e senza unità di un componente rispetto al tutto. In questo caso, la percentuale in massa può essere rappresentata matematicamente come:
Sebbene la percentuale per massa sia senza unità, questo valore è talvolta rappresentato con le unità (w / w) per trasmettere che il confronto è solo per massa (peso) e non per volume. La percentuale in volumi è indicata come peso per volume (p/v) o volume per volume (v/v). Nei calcoli w/w, è importante notare che il denominatore è la massa dell'intera soluzione, non il solvente. Mentre la percentuale per massa viene utilizzata per determinare la concentrazione della soluzione, la percentuale per mole viene in genere utilizzata per calcolare la percentuale di anelemento o gruppo in una molecola. È difficile calcolare la percentuale per mole in una soluzione, poiché le moli totali di soluto e solvente dovrebbero essere conosciute. Se tali valori fossero noti, il calcolo complessivo sarebbe irrilevante.
In alcuni casi, ottenere la massa del solvente o del soluto individualmente può essere difficile o poco pratico. In questi casi, la densità di una soluzione può essere utilizzata per determinare la percentuale di massa producendo prima una curva di calibrazione di soluzioni con composizioni note. Ciò richiede innanzitutto che si sia noto quanto segue: l'identità del soluto e un intervallo ragionevole della concentrazione della soluzione. Sono necessari metodi analitici più complessi quando più di un soluto è presente in soluzione. Ad esempio, la precipitazione selettiva o lo scambio ionico potrebbero essere utilizzati per analizzare un soluto di interesse. Per le soluzioni a singolo soluto, deve essere disponibile abbastanza materiale per creare una serie di soluzioni di concentrazione nota. Il due per cento con metodi di massa sono dimostrati qui.
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Procedure
1. Percentuale di massa - Diretto
- Posizionare un piccolo volume di una soluzione in un becher pulito e essiccato al forno o in una cristallizzazione.
- Dopo aver determinato con precisione la massa totale precisa della soluzione, riscaldare il becher o il piatto su una piastra elettrica o in un forno per scacciare l'acqua. L'evaporazione lenta è il metodo migliore, poiché l'ebollizione può causare schizzi della soluzione.
- Una volta che il solvente è evaporato, raffreddare il solido rimanente (soluto) e determinare la massa.
- Calcola la percentuale di massa come:
2. Percentuale in massa - Utilizzo di una curva di calibrazione
- Crea una serie di soluzioni standard sciogliendo quantità note di soluto in un solvente. Sono raccomandati cinque standard e dovrebbero variare dal minimo al massimo delle composizioni percentuali previste.
- Se il valore approssimativo è sconosciuto, produrre una serie di soluzioni che vanno dallo 0% attraverso il massimo di solubilità del soluto in acqua. Sono disponibili tabelle di riferimento per indicare la massima solubilità per molti solidi in acqua in una varietà di intervalli di temperatura.
- Ad esempio, per produrre una soluzione di cloruro di sodio (NaCl) al 35% (p/p), aggiungere 35 g a un matraccio, quindi aggiungere 65 g (o 65 ml, poiché il volume può essere utilizzato anche quando si misura l'acqua pura poiché la densità è nota per essere 1,0 g / mL a temperatura ambiente) di acqua e mescolare la soluzione fino a quando il solido non viene disciolto. Poiché la massa è additiva, questo sarebbe lo stesso che aggiungere abbastanza acqua in modo che la soluzione totale abbia una massa di 100 g.
- Dopo aver misurato la massa di un volume preciso di ciascuna delle soluzioni standard, calcolare la densità come:
3. Analisi dei dati
- Tracciate i valori di densità rispetto alla percentuale in massa delle soluzioni standard e determinate la pendenza della linea. Questa pendenza corrisponde alla densità rispetto alla percentuale di massa della soluzione, adattando un'equazione lineare, y = mx + b ( Figura1).
- Calcolare la densità della soluzione campione sconosciuta ottenendo la massa del volume specifico di soluzioni. Ora che la pendenza della linea è nota, determinare la percentuale in massa del soluto risolvendo per "x" utilizzando la densità e la pendenza misurate dalla curva di calibrazione.
Determinare e comprendere la composizione di una soluzione è fondamentale in una vasta gamma di tecniche chimiche. Una soluzione è una miscela omogenea, composta da una sostanza disciolta in un liquido. La sostanza disciolta è chiamata soluto e il fluido sfuso è chiamato solvente. Le soluzioni possono essere descritte in diversi modi: in primo luogo, dal tipo di solvente utilizzato per sciogliere il soluto. Le soluzioni acquose utilizzano l'acqua come solvente. I solventi organici, come il cloroformio, l'acetonitrile o l'acetone, vengono utilizzati per produrre soluzioni organiche, a seconda delle proprietà del soluto.
Le soluzioni sono anche descritte dalla quantità di soluto disciolto in un certo volume del solvente o dalla concentrazione. Per ulteriori informazioni, vedere il video di questa raccolta su "Soluzioni e concentrazioni".
La concentrazione della soluzione un modo può essere calcolata si basa sulla massa di ciascun componente della soluzione, chiamata percentuale di massa. Questo video introdurrà la percentuale di massa delle soluzioni e dimostrerà come determinare il valore in laboratorio.
La quantità di soluto nel solvente può essere espressa in diversi modi. In primo luogo, la percentuale di massa è calcolata come la massa del soluto divisa per la massa totale della soluzione. La percentuale di massa è scritta come percentuale di peso / peso, poiché a volte viene definita percentuale di peso. Tuttavia, il termine percentuale di massa è generalmente considerato corretto.
La quantità di soluto in una soluzione può anche essere espressa in termini di massa percentuale in volume, comunemente usata in biologia, ed è calcolata come la massa totale del soluto divisa per il volume della soluzione. Questa unità non è una vera percentuale, in quanto non è una quantità adimensionale. Allo stesso modo, viene utilizzata anche la percentuale di volume, in cui il volume del soluto è diviso per il volume totale della soluzione.
La percentuale di massa differisce dalla percentuale di volume, poiché solo la massa è una quantità additiva. La massa della soluzione è la somma dei componenti. Il volume, d'altra parte, non è sempre additivo, poiché le molecole del soluto si adatteranno agli spazi aperti tra le molecole di solvente, con conseguente volume inferiore al previsto.
Diversi semplici metodi possono essere utilizzati per determinare la percentuale di massa di una soluzione in laboratorio. In primo luogo, il metodo diretto richiede la registrazione della massa totale della soluzione e quindi l'evaporazione del solvente. Il solido lasciato dietro è il soluto, che viene quindi pesato e utilizzato per calcolare la percentuale di massa.
La densità può anche essere utilizzata per determinare la percentuale di massa di una concentrazione sconosciuta. In primo luogo, vengono preparate una serie di soluzioni standard, con una gamma di quantità di soluto. Seleziona standard che variano in concentrazione da nessun soluto, alla massima solubilità del soluto. La densità viene quindi calcolata per ogni standard e confrontata con quella del campione. Ora che le basi dei calcoli della percentuale di massa sono state delineate, diamo un'occhiata al calcolo della percentuale di massa usando il metodo diretto e il metodo della densità in laboratorio.
In primo luogo, pesare un becher o una cristallizzazione puliti e essiccati al forno e registrare la massa.
Posizionare un piccolo volume della soluzione nel piatto e pesare accuratamente la soluzione e il piatto. Sottrarre il peso del piatto e registrare la massa della soluzione.
Quindi, posizionare il piatto su una piastra elettrica o in un forno per scacciare l'acqua. L'evaporazione lenta è l'ideale, poiché l'ebollizione può causare schizzi della soluzione e perdita di soluto. Una volta che il solvente è evaporato, raffreddare il solido rimanente, che è il soluto. Determinare con precisione la massa. Calcola la percentuale di massa dividendo la massa del soluto dopo l'evaporazione per la massa della soluzione iniziale.
In primo luogo, preparare cinque standard, con composizioni percentuali che vanno dal minimo al massimo della composizione percentuale sconosciuta prevista. Non superare la solubilità del sistema. Calcola la quantità di soluto e solvente necessaria per preparare le composizioni percentuali.
Pesare il soluto e quindi scioglierlo nel peso specifico del solvente.
Quindi, misurare la massa di un volume preciso di ciascuna soluzione standard. Quindi calcolare la densità per ogni soluzione. Fai lo stesso per la soluzione sconosciuta. Per ulteriori informazioni, vedere il video di questa raccolta sulla densità.
Traccia i valori di densità delle soluzioni standard rispetto alle percentuali di massa. In questo esempio, è stata preparata una serie di standard di cloruro di sodio con composizioni percentuali di massa che vanno dal 5 al 25% di soluto in soluzione. Dopo aver tracciato i dati, applicare una linea di tendenza lineare e determinare l'equazione, dove y è la densità e x è la composizione percentuale di massa. Utilizzare la densità della soluzione sconosciuta, in questo caso 1,053 g/mL, per determinarne la percentuale di massa. Risolvendo per x, è risultato essere del 7,4%.
Ora che hai visto le basi per determinare la percentuale di massa delle soluzioni acquose, diamo un'occhiata ad alcuni casi in cui la concentrazione di una soluzione deve essere nota.
Le soluzioni tampone sono comunemente utilizzate in molti esperimenti di laboratorio, specialmente nelle applicazioni biologiche. Le soluzioni tampone contengono una concentrazione specifica di acidi deboli disciolti o di base e i loro coniugati, che consente di mantenere e resistere alle variazioni del pH. Spesso, i tamponi vengono preparati utilizzando una miscela di molti sali, compresi quelli con gruppi fosfato che mantengono un pH costante nell'intervallo 7,2 - 7,6.
La percentuale di massa viene anche utilizzata per separare miscele complesse, come in questo esempio di gradiente di densità. Per questo, vengono preparate soluzioni con un intervallo di percentuale di massa e quindi stratificate sequenzialmente da percentuale di massa elevata a percentuale di massa bassa. Questo crea un gradiente di densità nel tubo. Il campione viene quindi caricato sulla parte superiore del gradiente e centrifugato. I componenti della miscela vengono quindi separati in base a quanto lontano viaggiano lungo il tubo.
Comprendere la percentuale di massa non è solo fondamentale per le applicazioni chimiche, ma anche per gli studi ambientali. Il contenuto di umidità del suolo è importante da comprendere al fine di identificare le condizioni ambientali che possono influenzare gli ecosistemi. Il contenuto di umidità del suolo è una percentuale di massa che descrive la quantità di acqua contenuta nel terreno. Il contenuto di umidità si trova facilmente pesando il terreno umido, essiccando il terreno in un forno e ripesando.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE per determinare la percentuale di massa di una soluzione acquosa. Ora dovresti capire l'importanza della percentuale di massa, il suo uso in laboratorio e come determinarlo per una soluzione acquosa.
Grazie per l'attenzione!
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Results
Utilizzando l'esempio mostrato nella Figura 1,è stata preparata una serie di standard di cloruro di sodio con composizioni percentuali di massa del 5.000%, 10.00%, 15.00%, 20.00% e 25.00% di soluto in soluzione. Le densità misurate erano rispettivamente 1,025, 1,042, 1,060, 1,070 e 1,090 g/ml. Dopo aver tracciato questi dati, viene applicata una linea di tendenza lineare, adattandosi all'equazione y = 3,446 x 10-3x + 1,0048, dove y è la densità e x è la composizione percentuale di massa.
Successivamente, il volume di 10,00 g di soluzione con composizione percentuale sconosciuta viene misurato e determinato in 9,497 ml. Dividendo la massa per il volume, la densità viene quindi calcolata come 1,053 g/ml. Inserendo il valore di densità nell'equazione lineare, la percentuale di massa viene determinata come x:
Figura 1. Densità della soluzione acquosa di cloruro di sodio in funzione della composizione percentuale in massa.
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Applications and Summary
La percentuale di zucchero nella soda, potrebbe essere facilmente determinatausando il principio della composizione percentuale di massa. La procedura per fare questo esperimento sarebbe quella di misurare la massa e il volume della soda degassata (senza bolle) e calcolare la densità della soluzione. Sarebbe necessario creare una curva di calibrazione della densità rispetto alla percentuale in massa per diverse soluzioni standard di saccarosio (zucchero), e quindi tale calibrazione potrebbe essere utilizzata per risolvere la percentuale di saccarosio nella soda. Un'ipotesi è che il saccarosio sia il principale contributore a un cambiamento di densità per la soda, il che è vero per la soda non senza zucchero.
L'acqua di mare è composta da diversi sali disciolti in acqua; ad esempio, NaCl, MgCl2e NaBr2. Mentre sarebbe difficile determinare la percentuale di massa utilizzando una curva di calibrazione, l'evaporazione fornisce una soluzione semplice al problema. Prendendo una massa nota di acqua di mare ed evaporandola, la massa può essere determinata dalla quantità di soluto rimanente dopo che il solvente è evaporato. Quindi, la massa del soluto deve essere divisa per la massa totale della soluzione originale per calcolare la percentuale di massa dei sali (solidi disciolti) nell'acqua di mare.
Ci sono una varietà di composti ionici che hanno molecole d'acqua e sono indicati come idrati. Il numero di molecole d'acqua su un composto può essere determinato dalla composizione percentuale. Ad esempio, il cloruro di cobalto (II) è normalmente blu, ma diventa rosa quando è idratato. Se 5,0 grammi di idrato di cloruro di cobalto rosa (II) vengono riscaldati al punto in cui diventa blu, la massa finale del solido blu viene registrata come 2,73. La differenza, 2,27 g, corrisponde alla massa d'acqua che si trovava sui 5 g di solido idratato. Il campione originale era il 45,4 % di acqua in massa. Convertendo i valori di massa in moli, si può calcolare che sono presenti 0,02101 moli di cloruro di cobalto (129,93 g/mol) e 0,126 moli di acqua (18 g/mol). Dividendo per il valore più piccolo, si può determinare che sono presenti 6 moli d'acqua per ogni mole di cloruro di cobalto.
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