ديد كلي در مورد محلول ها
محلول ها ، مخلوط هايي همگن هستند. محلول ها را معمولا بر حسب حالت فيزيكي آنها طبقه بندي ميكنند : محلول هاي گازي ، محلول هاي مايع و محلول هاي جامد . درمحلول گاز - مايع يا جامد - مايع معمولا مايع ، حلال و جز ديگر ماده حل شونده ميباشد. اما دريك مخلوط مايع - مايع انتخاب جز حلال و حل شونده دشوار است. مگر اينكه مقدار يكي بيشتر از ديگري باشد. وقتي در مورد محلول ها بحث ميشود. اولين چيزي كه به ذهن ميآيد غلظت آنها ميباشد. غلظت عبارت است از مقادير نسبي اجزا موجود در يك محلول. مثلا محلولي كه شامل مقدار كمي ماده حل شده باشد، محلول رقيق ميباشد يا اگر مقدار ماده حل شده بيشتر شود، محلول غليظ ناميده ميشود. خواص محلول ها به مقادير نسبي ماده حل شده در حلال بستگي دارد. براي همين است كه دركارهاي كمي مربوط به محلول ها ابتدا بايد غلظت ها را مشخص كرد. محلول هاي مايع متداولترين محلول ها هستند و بيشترين كاربرد را در بررسي هاي شيميايي دارند. هوا هم مثالي براي محلول هاي گازي ميباشد.
ماهيت محلول ها
در يك محلول ، معمولا جزئي كه از لحاظ كميت بيشترين مقدار را دارد ، حلال و ساير اجزا را مواد حل شده (حل شونده) ميگوييم. اما گاهي آسان تر آن است كه جزئي از محلول را با آنكه مقدارش كم است، حلال بناميم و گاهي اصولا اطلاق نام حلال و حل شونده به اجزاي يك محلول (مثلا محلول هاي گازي ) چندان اهميتي ندارد. بعضي از مواد به هر نسبت در يكديگر حل ميشوند.
امتزاج پذيري كامل از ويژگي هاي اجزاي تمام محلول هاي گازي و بعضي از اجزاي محلول هاي مايع و جامد است. ولي غالبا ، مقدار ماده اي كه در حلال معيني حل مي شود، محدود است. انحلال پذيري يك ماده در يك حلال مخصوص و در دماي معين ، بيشترين مقداري از آن ماده است كه در مقدار معيني از آن حلال حل مي شود و يك سيستم پايدار به وجود مي آورد.
غلظت محلول ها
براي يك محلول معين ، مقدار ماده حل شده در واحد حجم حلال يا در واحد حجم محلول را غلظت ماده حل شده ميگوييم. مهمترين نوع غلظت ها كه در آزمايشگاه به كار ميرود مولاريته و نرماليته است. مولاريته عبارت است از تعداد مول هاي يك ماده كه در يك ليتر محلول وجود دارد. به همين دليل آن را مول بر ليتر يا ميگيرند. نرماليته يك محلول عبارت است از تعداد هم ارز گرم هاي (اكي والان گرم هاي) ماده موجود در يك ليتر محلول. نرماليته را با N نشان ميدهند. در مورد اين مفاهيم در ادامه توضيح داده خواهد شد .
انواع محلول ها
محلول سير شده
اگر مقدار ماده حل شده در يك محلول برابر با انحلال پذيري آن در حلال باشد، آن محلول را محلول سير شده ميناميم. اگر به مقداري از يك حلال مايع ، مقدار زيادي ماده حل شونده ( بيشتر از مقدار انحلال پذيري آن ) بيفزاييم ، بين ماده حل شده و حل شونده باقيمانده تعادل برقرار ميشود. ماده حل شونده باقيمانده ممكن است جامد ، مايع يا گاز باشد. در تعادل چنين سيستمي ، سرعت انحلال ماده حل شونده برابر با سرعت خارج شدن ماده حل شده از محلول است. بنابراين در حالت تعادل ، غلظت ماده حل شده مقداري ثابت است.
محلول سير نشده
غلظت ماده حل شده در يك محلول سير نشده كمتر از غلظت آن در يك محلول سير شده است.
محلول فراسيرشده
ميتوان از يك ماده حل شونده جامد ، محلول فراسير شده تهيه كرد كه در آن، غلظت ماده حل شده بيشتر از غلظت آن در محلول سير شده است. اين محلول ، حالتي نيمه پايدار دارد و اگر مقدار بسيار كمي از ماده حل شونده خالص بدان افزوده شود، مقداري از ماده حل شده كه بيش از مقدار لازم براي سيرشدن محلول در آن وجود دارد، رسوب ميكند.
خواص فيزيكي محلول ها
بعضي از خواص محلول ها به دو عامل ، نوع ماده حل شده و غلظت آن در محلول بستگي دارند. اين مطلب براي بسياري خواص فيزيكي محلول ها از جمله ، محلول هاي آبي درست به نظر ميرسد. براي مثال، محلول نمك طعام در آب بي رنگ پرمنگنات پتاسيم در آب، بنفش صورتي است ( در اينجا نوع ماده حل شده مطرح است ). افزون بر اين ، ميدانيم كه هر چه بر محلول پرمنگنات آب بريزيم و آن را رقيق تر كنيم، از شدت رنگ آن كاسته ميشود ( اينجا غلظت محلول مطرح است ).
يكي ديگر از خواص فيزيكي كه به اين دو عامل بستگي دارد، قابليت هدايت الكتريكي محلول آبي مواد گوناگون است. چهار خاصه فيزيكي ديگر از محلول ها وجود دارد كه به نوع و ماهيت ذرات حل شده بستگي ندارد، بلكه فقط به مجموع اين ذرات وابسته است. به عبارت ديگر ، تنها عامل موثر بر خواص محلول در اينجا ، غلظت است. چنين خواصي از محلول را معمولا "خواص جمعي محلول ها" (خواص كوليگاتيو Colligative properties) مينامند و عبارتند از كاهش فشار بخار ، صعود نقطه جوش ، نزول نقطه انجماد و فشار اسمزي.
محلول سازي
محلول سازي يكي از متداواترين و در عين حال دقيق ترين كارهايي است كه در آزمايشگاه انجام مي شود.
محلول سازي به معناي ساختن محلول مورد نظر و لازم از محلول هاي استاندارد مي باشد.
محلول استاندارد محلولي است كه در آن ، رابطه بين مقادير ماده حلشده و محلول يا رابطه بين مقدار ماده حلشده و حلال به نحوي معلوم باشد. با معلوم بودن مقدار ماده حلشونده و مقدار حلال تشكيل دهنده محلول ، غلظت محلول مشخص ميگردد . بسياري از واكنشها در حالت محلول انجام ميشوند و محاسبههاي كمي براي اينگونه واكنشها بر مبناي غلظت آن ها صورت ميگيرد. براي بيان غلظت ، روشهاي گوناگوني وجود دارد و محلول هاي استاندارد را براساس غلظت بيان ميكند.
محلول هاي استاندارد كاربردهاي زيادي دارند ، از جمله در تجزيه هاي تيترسنجي (تيتراسيون) ، واكنشهاي خنثي شدن و واكنشهاي اكسيداسيون-احيا و...
براي محلول سازي بايد ابتدا با واحدها و روش هاي بيان غلظت يك محلول ، آشنايي كامل داشت.
متداولترين اصطلاحات و واحدها در محلول سازي :
درصد جرمي
عبارت است از مقداري ماده حلشونده در 100 گرم محلول :
100× ( جرم محلول / جرم ماده حل شونده ) = درصد جرميW %
در صورت و مخرج بايد از يك نوع يكاي جرم استفاده شود. يعني هر دو بايد برحسب ميليگرم ، گرم يا كيلوگرم بيان شوند. درصد وزني معمولا براي بيان غلظت تجارتي محلول هاي آبي در واكنشگرها به كار مي رود و به عنوان مثال اسيدنيتريك به صورت محلول 70% به فروش مي رسد كه در100 گرم آن ، 70 گرم اسيدنيتريك وجود دارد.
درصد حجمي
عبارت است از ليترجسم حل شده برليترمحلول ضرب در100.
100× ( ليترمحلول / ليتر جسم حل شده ) = درصد حجمي V%
درصد جرمي - حجمي
100× ( حجم محلول به ميلي ليتر/ جرم ماده حل شده به گرم ) = درصد جرمي - حجمي
اين غلظت براي بيان تركيب محلول هاي آبي رقيق و واكنشگرهاي جامد به كار مي رود بنابراين يك محلول آبي 5% از نيترات نقره ، محلولي مي باشد كه ازحل كردن 5 گرم نيترات نقره درمقدار كافي آب مقطر براي توليد 100 ميلي ليتر محلول استفاده شده است.
كسرمولي
كسرمولي يك جزء سازنده محلول ، نسبت عده مول هاي آن جزء به تعداد كل مول هاي تمام اجزاء موجود درمحلول مي باشد.
كل مول هاي اجزاء محلول … nC+ nB+ nA+ / تعدادمول جسم nA = كسرمولي جسم A
ppm
براي محلولهاي بسيار رقيق ، معمولا غلظت بر حسب قسمت در ميليون (ppm) بيان ميشود و عبارت است از وزن جسم حل شده برحسب ميلي گرم در يك ليتر از محلول .
ليتر محلول / ميلي گرم ماده حل شونده = ppm
از ppm براي بيان مقادير بسيار كم كاتيونها و آنيونها در آب دريا ، بدن جانداران ، بافتهاي گياهي و ميزان آلايندههاي هوا و به طور كلي ، در مواردي كه مقدار ماده حلشونده خيلي جزئي باشد ، استفاده ميشود.
گرم در ليتر ( غلظت معموليC )
در اين محلولها ، مقداري ماده حلشونده در يك ليتر محلول وجود دارد.
حجم محلول به ليتر/ مقدار ماده حل شونده به گرم = C
براي مثال ، اگر در 200 ميليليتر از محلولي به اندازه 4 گرم پتاسيم كلريد حلشده باشد ، غلظت معمولي اين محلول ، 20 گرم در ليتر خواهد بود.
ابتدا ميلي ليتر به ليتر تبديل شود:
و سپس جاي گذاي در فرمول شود:
غلظت مولار ( مولاريته CM)
غلظت مولار رايجترين روش براي بيان غلظت است و مولاريته يك محلول عبارت است از مقدار مول هاي جسم حل شده در يك ليتر از محلول. اين غلظت را به صورت ميلي مول حل شده در ميلي ليتر هم بيان ميكنند و يكي از پر كاربردترين مفاهيم غلظت در شيمي تجزيه ميباشد. اين تعريف بر اساس حجم كل محلول استوار است. وقتي غلظت محلول بر حسب مولاريته بيان ميشود، محاسبه مقدار ماده حل شده موجود در يك نمونه معين از محلول آسان است. تعداد مول هاي جسم حل شده از تقسيم كردن وزن آن بر حسب گرم به وزن فرمولي آن (وزن مولكولي ، وزن اتمي ، وزن يوني) بدست ميآيد.
حجم محلول (ليتر) / مقدار ماده حل شونده (مول) = غلظت مولار (M)
غلظت مولال ( مولاليته m )
محلولي كه در آن يك مول ماده حلشونده در يك كيلوگرم حلال حل شده باشد ، محلول مولال ناميده ميشود. از غلظت مولال در مطالعه خواص كوليگاتيو محلولها به كار ميرود.
كيلوگرم حلال / مقدار ماده حل شونده (مول) = غلظت مولال (m)
غلظت نرمال ( N )
محلول نرمال ، محلولي است كه يك اكي والان گرم ماده حلشونده در يك ليتر آن و يا يك ميلياكيوالان گرم در هر ميلي ليتر آن حل شده باشد.
مفهوم اكي والان گرم : مقدار وزن اكي والان مواد مختلف طبق رابطه زير به دست ميآيد:
كه در آن M جرم مولكولي و n ( ظرفيت ) براي مواد مختلف به قرار زير بدست ميآيد:
مقدار n براي اسيدها برابر تعداد هيدروژنهاي اسيدي H و براي بازها ، برابر تعداد -OH ، براي نمكها برابر ظرفيت فلز ضربدر تعداد فلز و براي واكنشهاي اكسايش- كاهش برابر درجه كاهش يا اكسايش است.
با بدست آوردن مقدار E (وزن اكي والان) ميتوان تعداد اكيوالان را از رابطه زير حساب كرد:
وزن اكي والان/ جرم ماده برحسب گرم = = تعداد اكي والان
در نتيجه ، نرماليته يك محلول بيانگر تعداد اكيوالانها در يك ليتر محلول يا تعداد ميلياكي والان در هر ميلي ليتر محلول است و از رابطه زير محاسبه مي گردد :
[ D (دانسيته) ، a(درصد جرمي) ، E(اكي والان گرم) ]
حال با توجه به روابط بالا مي توان از طريق رابطه زير حجم و نرماليته محلول هاي رقيق را با داشتن حجم و نرماليته محلول هاي غليظ محاسبه نمود و بالعكس :
مطالبي كه تا اينجا گفته شد برخي از مفاهيمي بود كه براي روند كار محلول سازي در آزمايشگاه به كار مي رود ، بدين ترتيب براي شروع فرآيند محلول سازي دانستن و يادگيري اين مفاهيم لازم است.