Overview
מקור: המעבדה של ד"ר ניל אברמס — מכללת SUNY למדעי הסביבה ויערנות
קביעת הרכב הפתרון היא טכניקה אנליטית וזיהוי משפטית חשובה. כאשר פתרונות נעשים עם מים, הם מכונים מימית, או מכילים מים. המרכיב העיקרי של פתרון מכונה הממס, והרכיב המשני המומס נקרא solute. solute מומס בממס כדי להפוך את הפתרון. מים הם הממס הנפוץ ביותר בחיי היומיום, כמו גם כמעט כל המערכות הביולוגיות. במעבדות כימיה, הממס עשוי להיות נוזל אחר, כמו אצטון, אתר, או אלכוהול. ההולוט יכול להיות נוזל או מוצק, אבל הניסוי הזה מתייחס רק לקביעת המוצקים.
Principles
כאשר solute מומס בממס, המסה של הפתרון המתקבל היא סכום של המסה של solute ואת הממס. זאת בעקבות חוק שימור המסה:
זה שונה מתוספת של כרכים, אשר אינוadditive, שכן מולקולות של solute להתאים למרחבים פתוחים בין המולקולות של הממס ושומר על הנפח הכולל נמוך מהצפוי. קביעת אחוזים לפי מסה היא טכניקה פשוטה וחשובה לניתוח האיפור של הפתרון. בהגדרה, אחוז הוא ערך חלקי וחסר יחידה של רכיב אחד בהשוואה לשלם. במקרה זה, האחוז לפי מסה יכול להיות מיוצג מתמטית כמו:
למרות שאחוז במסה הוא ללא יחידה, ערך זה מיוצג לעתים עם היחידות (w/w) כדי להעביר שההשוואה היא לפי מסה (משקל) בלבד ולא לפי נפח. אחוז לפי אמצעי אחסון מצוין כמשקל לכל אמצעי אחסון (w/v) או אמצעי אחסון לכל אמצעי אחסון (v/v). בחישובי w/ w, חשוב לציין כי המכנה הוא המסה של הפתרון כולו, לא הממס. בעוד אחוז על ידי מסה משמש כדי לקבוע ריכוז הפתרון, אחוז על ידי שומה משמש בדרך כלל כדי לחשב את אחוז anelement או קבוצה במולקולה. קשה לחשב אחוז על ידי שומה בתמיסה, שכן סך השומות של ממס ו ממס היה צריך להיות ידוע. אם ערכים אלה היו ידועים, החישוב הכולל היה לא רלוונטי.
במקרים מסוימים, קבלת המסה של ממס או ממס בנפרד יכול להיות קשה או לא מעשי. במקרים אלה, הצפיפות של פתרון יכול לשמש כדי לקבוע אחוז מסה על ידי ייצור תחילה עקומת כיול של פתרונות עם קומפוזיציות ידועות. תחילה נדרשים לדעת את הדברים הבאים: זהותו של הטווח ההגיוני והסביר של ריכוז הפתרון. שיטות אנליטיות מורכבות יותר נדרשות כאשר יותר מ- solute אחד נמצא בפתרון. לדוגמה, משקעים סלקטיביים או חילופי יונים יכולים לשמש לניתוח עבור solute של עניין. עבור פתרונות בודדים, מספיק חומר חייב להיות זמין כדי ליצור סדרה של פתרונות של ריכוז ידוע. שני אחוזים בשיטות המוניות מודגים כאן.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. אחוז לפי מסה - ישיר
- מניחים נפח קטן של תמיסה לתוך נקייה ומיובשת בתנור או צלחת התגבשות.
- לאחר קביעת המסה הכוללת המדויקת של הפתרון, מחממים את הכוס או המנה על כיריים או בתנור כדי לגרש את המים. אידוי איטי הוא השיטה הטובה ביותר, כמו רותחים יכולים לגרום התזה של הפתרון.
- לאחר הממס התאדה, לקרר את מוצק הנותרים (solute) ולקבוע את המסה.
- חשב את אחוז המסה כ:
2. אחוז לפי מסה - שימוש בעקומת כיול
- הפוך סדרה של פתרונות סטנדרטיים על ידי המסת כמויות ידועות של solute לתוך ממס. חמישה תקנים מומלצים וצריכים לנוע בין המינימום לאחוז המרבי הצפוי.
- אם הערך המשוער אינו ידוע, הפיקו סדרה של פתרונות הנעים בין 0% למקסימום המסיסות של המסיס במים. טבלאות ייחוס זמינות כדי לציין את המסיסות המרבית עבור מוצקים רבים במים על פני מגוון רחב של טווחי טמפרטורה.
- לדוגמה, כדי לייצר פתרון נתרן כלורי (NaCl) 35% (w/w), להוסיף 35 גרם לבקבוקון, ולאחר מכן להוסיף 65 גרם (או 65 מ"ל, כמו נפח יכול לשמש גם בעת מדידת מים טהורים מאז הצפיפות ידוע להיות 1.0 גרם / מ"ל בטמפרטורות הסביבה) של מים, ולערבב את הפתרון עד מוצק מומס. מכיוון שמסה היא תוסף, זה יהיה זהה להוספת מספיק מים כך שלפתרון הכולל יש מסה של 100 גרם.
- לאחר מדידת המסה של נפח מדויק של כל אחד מהפתרונות הסטנדרטיים, חשב את הצפיפות כ:
3. ניתוח נתונים
- התווה את ערכי הצפיפות כנגד האחוז במסה של הפתרונות הסטנדרטיים וקבע את השיפוע של הקו. שיפוע זה מתאים לצפיפות לעומת אחוז המסה של הפתרון, ומתאים למשוואה ליניארית, y = mx + b (איור 1).
- חשב את הצפיפות של פתרון המדגם הלא ידוע על-ידי השגת המסה של נפח הפתרונות הספציפי. כעת, כאשר השיפוע של הקו ידוע, לקבוע את האחוז על ידי מסה של solute על ידי פתרון עבור "x" באמצעות הצפיפות המדודה ושיפוע מעקומת הכיול.
קביעה והבנה של הרכב הפתרון היא בסיסית במגוון רחב של טכניקות כימיה. פתרון הוא תערובת הומוגנית, המורכבת מחומר המומס בנוזל. החומר המומס נקרא solute, ואת הנוזל בתפזורת נקרא ממס. פתרונות ניתן לתאר במספר דרכים — ראשית, על ידי סוג של ממס המשמש להמסת solute. פתרונות מימיים משתמשים במים כממס. ממיסים אורגניים, כגון כלורופורם, אצטוניטריל או אצטון, משמשים להכנת פתרונות אורגניים, בהתאם למאפיינים של ה- solute.
פתרונות מתוארים גם על ידי כמות solute מומס בנפח מסוים של הממס, או הריכוז. למידע נוסף, ראה סרטון של אוסף זה על "פתרונות וריכוזים".
ניתן לחשב את ריכוז הפתרון באופן אחד בהתבסס על המסה של כל רכיב של הפתרון, הנקרא אחוז מסה. וידאו זה יציג את אחוז המסה של פתרונות, ולהדגים כיצד לקבוע את הערך במעבדה.
כמות solute בממס יכול לבוא לידי ביטוי במספר דרכים. ראשית, אחוז המסה מחושב כמסה של solute חלקי המסה הכוללת של הפתרון. אחוז המסה כתוב כאחוז משקל /משקל, כפי שהוא מכונה לעתים אחוז משקל. עם זאת, המונח אחוז מסה נחשב בדרך כלל נכון.
כמות ההסתה בפתרון יכולה לבוא לידי ביטוי גם במונחים של אחוז מסה לפי נפח, נפוץ בביולוגיה, ומחושבת כמסה הכוללת של solute חלקי נפח הפתרון. יחידה זו אינה אחוז אמיתי, מכיוון שהיא אינה כמות חסרת ממדים. באופן דומה, אחוז נפח משמש גם, שבו נפח solute מחולק על ידי הנפח הכולל של הפתרון.
אחוז המסה שונה מאחוז נפח, שכן רק מסה היא כמות תוסף. המסה של הפתרון היא סכום הרכיבים. נפח, לעומת זאת, אינו תמיד תוסף, כמו מולקולות של solute יתאים למרחבים פתוחים בין מולקולות של ממס, וכתוצאה מכך פחות נפח מהצפוי.
ניתן להשתמש במספר שיטות פשוטות כדי לקבוע את אחוז המסה של פתרון במעבדה. ראשית, השיטה הישירה דורשת רישום המסה הכוללת של הפתרון, ולאחר מכן אידוי את הממס. המוצק שנותר מאחור הוא הנוכר, אשר לאחר מכן נשקל ומשמש לחישוב אחוזי מסה.
צפיפות יכולה לשמש גם כדי לקבוע את אחוז המסה של ריכוז לא ידוע. ראשית, סדרה של פתרונות סטנדרטיים מוכנים, עם מגוון של כמויות מטושלות. בחר סטנדרטים הנעים בריכוז מ לא מנוטרל, למסיסות המרבית של solute. הצפיפות מחושבת לאחר מכן עבור כל תקן, בהשוואה לזו של המדגם. כעת, לאחר שהיסודות של חישובי אחוזי המסה תוארו, בואו נסתכל על חישוב אחוזי המסה בשיטה הישירה ובשיטת הצפיפות במעבדה.
ראשית, שקלו כוב או צלחת התגבשות נקייה ומיובשת בתנור, ורשמו את המסה.
מכניסים למנה כמות קטנה של הפתרון, ושוקלים במדויק את הפתרון והמנה. להחסיר את משקל המנה, ולתעד את המסה של הפתרון.
לאחר מכן, מניחים את המנה על כיריים או בתנור כדי לנסוע מהמים. אידוי איטי הוא אידיאלי, כמו רותחים יכול לגרום התזה של הפתרון, ואובדן של solute. לאחר הממס התאדה, לקרר את מוצק הנותרים, שהוא solute. לקבוע במדויק את המסה. חשב את אחוז המסה על-ידי חלוקת המסה של ההתפוגגות לאחר אידוי במסת הפתרון הראשוני.
ראשית, להכין חמישה תקנים, עם קומפוזיציות אחוז החל המינימום למקסימום של הרכב אחוז לא ידוע צפוי. אל תחרוג מהמסיסות של המערכת. חשב את כמות solute וממס הדרוש כדי להכין את קומפוזיציות אחוז.
לשקול את solute, ולאחר מכן להמיס אותו במשקל הספציפי של ממס.
לאחר מכן, למדוד את המסה של נפח מדויק של כל פתרון סטנדרטי. לאחר מכן חשב צפיפות עבור כל פתרון. עשה את אותו הדבר עבור הפתרון הלא ידוע. עיין בסרטון הווידאו של אוסף זה אודות צפיפות לקבלת מידע נוסף.
התווה את ערכי הצפיפות של הפתרונות הסטנדרטיים כנגד אחוזי המסה. בדוגמה זו, קבוצה של תקני נתרן כלורי הוכן עם הרכבים אחוז המוני החל 5 - 25% של solute בפתרון. לאחר התוויית הנתונים, החל קו מגמה ליניארי וקבע את המשוואה, כאשר y הוא צפיפות ו- x הוא קומפוזיציה אחוז מסה. השתמש בצפיפות של הפתרון הלא ידוע, במקרה זה 1.053 g/mL, כדי לקבוע את אחוז המסה שלה. לפתור עבור x, זה נמצא להיות 7.4%.
כעת, לאחר שראיתם את היסודות של קביעת אחוז המסה של פתרונות מימיים, בואו נסתכל על כמה מקרים שבהם הריכוז של פתרון חייב להיות ידוע.
פתרונות חיץ משמשים בדרך כלל בניסויי מעבדה רבים, במיוחד ביישומים ביולוגיים. פתרונות חיץ מכילים ריכוז מסוים של חומצות חלשות מומסות או בסיס, ואת מצומדים שלהם, המאפשרים לו לשמור להתנגד לשינויים ב- pH. לעתים קרובות, חוצצים מוכנים באמצעות תערובת של מלחים רבים, כולל אלה עם קבוצות פוספט לשמור על pH קבוע בטווח של 7.2 – 7.6.
אחוז מסה משמש גם על מנת להפריד תערובות מורכבות, כמו עם דוגמה זו של שיפוע צפיפות. בשביל זה, פתרונות עם טווח של אחוז מסה מוכנים, ולאחר מכן בשכבות ברצף מאחוז מסה גבוהה לאחוז מסה נמוכה. זה יוצר שיפוע צפיפות בצינור. לאחר מכן נטען המדגם על החלק העליון של מעבר הצבע, וצנטריפוגה. מרכיבי התערובת מופרדים לאחר מכן בהתבסס על כמה רחוק הם נוסעים במורד הצינור.
הבנת אחוזי המסה היא לא רק קריטית ליישומי כימיה, אלא גם ללימודי סביבה. תוכן לחות הקרקע חשוב להבנה על מנת לזהות תנאים סביבתיים שעשויים להשפיע על מערכות אקולוגיות. תכולת הלחות בקרקע היא אחוז מסה המתאר את כמות המים המוחזקים בתוך האדמה. תכולת הלחות נמצאת בקלות על ידי שקילה של האדמה הלחה, ייבשות האדמה בתנור ועלייה מחדש.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לקביעת האחוז ההמוני של פתרון מימי. עכשיו אתה צריך להבין את החשיבות של אחוז המוני, השימוש בו במעבדה, וכיצד לקבוע אותו לפתרון מימי.
תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
באמצעות הדוגמה המוצגת באיור 1, קבוצה של תקני נתרן כלורי הוכנה עם קומפוזיציות אחוז מסה של 5.000%, 10.00%, 15.00%, 20.00% ו-25.00% של תמיסה. הצפיפות הנמדדת הייתה 1.025, 1.042, 1.060, 1.070 ו-1.090 גרם/מ"ל, בהתאמה. לאחר התוויית נתונים אלה, קו מגמה ליניארי מוחל, מתאים את המשוואה y = 3.446 x 10-3x + 1.0048, כאשר y הוא הצפיפות ו- x הוא הרכב אחוז המסה.
לאחר מכן, נפח של 10.00 גרם של פתרון עם הרכב אחוז לא ידוע נמדד ונקבע להיות 9.497 מ"ל. על-ידי חלוקת המסה בנפח, הצפיפות מחושבת לאחר מכן כ- 1.053 גרם/מ"ל. הוספת ערך הצפיפות למשוואה הליניארית, אחוז המסה נקבע כ- x:
איור 1. צפיפות פתרון נתרן כלורי מימי כפונקציה של הרכב אחוז על ידי מסה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
אחוז הסוכר בסודה, יכול בקלות להיקבע העיקרון של הרכב אחוז המוני. ההליך לביצוע ניסוי זה יהיה למדוד את המסה והנפח של סודה מנויה (ללא בועות) ולחשב את צפיפות הפתרון. עקומת כיול של צפיפות לעומת אחוז במסה עבור מספר פתרונות סוכרוז (סוכר) סטנדרטיים יהיה צורך ליצור, ולאחר מכן כיול זה יכול לשמש כדי לפתור עבור אחוז סוכרוז בסודה. הנחה אחת היא כי סוכרוז הוא התורם העיקרי לשינוי בצפיפות סודה, וזה נכון עבור סודה ללא סוכר.
מי ים מורכבים מכמה מלחים שונים המומסים במים; לדוגמה, NaCl, MgCl2, ו NaBr2. אמנם יהיה קשה לקבוע אחוז מסה באמצעות עקומת כיול, אך אידוי מספק פתרון פשוט לבעיה. על ידי לקיחת מסה ידועה של מי ים ואידוי, המסה יכולה להיקבע על ידי כמות solute שנותר לאחר הממס מתאדה. לאחר מכן, המסה של solute צריך להיות מחולק על ידי המסה הכוללת של הפתרון המקורי כדי לחשב את האחוז ההמוני של מלחים (מוצקים מומסים) במי ים.
ישנם מגוון רחב של תרכובות יוניות שיש להם מולקולות מים והם מכונים hydrates. מספר מולקולות המים על תרכובת יכול להיקבע על ידי הרכב אחוז. לדוגמה, קובלט (II) כלוריד הוא בדרך כלל כחול, אבל הופך ורוד כאשר הוא hydrated. אם 5.0 גרם של קובלט ורוד (II) כלוריד hydrate מחומם עד כדי כך שהוא הופך כחול, אז המסה הסופית של מוצק כחול נרשם כמו 2.73. ההבדל, 2.27 גרם, מתאים למסת המים שהייתה על 5 גרם של מוצק hydrated. המדגם המקורי היה 45.4% מים במסה. על ידי המרת ערכי מסה למולים, ניתן לחשב כי קיימות 0.02101 מולים של קובלט כלוריד (129.93 גרם/מול) ו-0.126 מולים של מים (18 גרם/מול). חלוקה לפי הערך הקטן ביותר, ניתן לקבוע כי 6 מולים של מים קיימים עבור כל מול אחד של קובלט כלוריד.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
