محلول سازی چیست ؟ چگونه انجام می شود ؟

در علم شیمی بدون شک، نخستین نیاز یک آزمایشگاه اندازه گیری و شناسایی کمی و کیفی مواد، محلول سازی می باشد.

بنابراین یک شیمیست باید بتواند محلول هایی با غلظت های معین تهیه کند. از این جهت ضروری است که با اصول اولیه و تعاریف آشنا باشد. در مطالب پیشین نشریه به بررسی محلول های استاندارد پرداخته ایم. در این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک، به معرفی محلول سازی و نحوه انجام آن پرداخته می شود. لطفا همراهی بفرمایید.

معمولا یک شیمیدان در آزمایشگاه شیمی با محلول های مختلف آبی سر و کار دارد. در حقیقت محلول ‌سازی به حل‌ شدن یک حل ‌شونده (جامد، مایع و یا گاز) در یک حلال (مایع) گفته می شود. حلال مورد نظر می ‌تواند آب و یا هر حلال دیگری که توانایی حل ‌کردن حل ‌شونده را دارد، باشد.

لازم به ذکر است که برای تهیه یک محلول آبی با غلظت مشخص از یک نمونه، لازم است که با تعریف های مختلف غلظت آشنا باشید. علاوه بر آن، محلول های استاندارد را نیز بر اساس غلظت بیان می کنند. در مقالات پیشین نشریه سعی شده است تا تعریف های مختلف غلظت نمونه مورد نظر، در محلول بیان شود. همان طور که می دانید غلظت یک نمونه در واقع مقدار ماده حل شونده در یک مقدار مشخص از محلول یا حلال می باشد. در جدول زیر متداول ترین و کاربردی ترین واحد های مورد استفاده برای بیان غلظت محلول آورده شده اند.

 

توجه داشته باشید که بسیاری از واکنش ها در حالت محلول انجام می شوند (از جمله واکنش های تیتراسیون، واکنش های خنثی شدن و یا واکنش های اکسایش و کاهش)، بنابراین این واکنش ها با محلول ‌سازی سر و کار دارند. در نتیجه محاسبات کمی برای این دسته از واکنش ها بر اساس غلظت آنها صورت می گیرد (باید مقدار دقیق و مشخص حل‌ شونده در حلال معلوم باشد).

محلول سازی

 

برای آشنایی با چگونگی ساخت یک محلول، در ابتدا به توضیح مختصری راجع به مفاهیم این موضوع و سپس چگونگی ساخت آن می پردازیم. محلول در واقع یک مخلوط همگن می باشد که از حل نمودن یک یا دو حل شونده در حلال تهیه می شود. محلول ها را معمولا بر اساس حالت فیزیکی آنها به سه دسته محلول های جامد، مایع و یا گاز تقسیم می کنند.

حلال به جزئی از یک محلول گفته می شود که از لحاظ مقدار بیش از اجزای دیگر باشد. در حالیکه حل شونده به جزئی از محلول می گویند که از لحاظ مقدار از اجزای دیگر کمتر باشد. انحلال پذیری نیز به بیشترین مقدار از حل شونده که در مقدار معینی حلال حل شود و بتواند سیستم پایداری به وجود آورد گفته می شود.

 

در یک تقسیم بندی دیگر می توان محلول ها را به انواع فوق دسته بندی نمود که عبارتند از : محلول های غلیظ، محلول های رقیق، محلول سیر شده، محلول سیر نشده، محلول فرا سیر شده.

برای محلول سازی، می توان از یک نمونه مایع یا جامد و سپس با کمک گرفتن از معادلات و روابط شیمیایی و کار در محیط آزمایشگاه، محلولی با غلظت مشخص و معین تهیه کرد. بنابراین به طور کلی در آزمایشگاه شیمی، محلول سازی را می توان به دو طریق انجام داد :

۱- محلول سازی از جامدات

۲- محلول سازی از مایعات

لازم به ذکر است که محلول سازی از جامدات کمی ساده تر از محلول سازی از مایعات می باشد. زیرا برای انجام محاسبات مربوط به جامدات به آیتم های کمتری نیاز است. در ادامه مقاله به تشریح و بررسی هر یک از این دو روش خواهیم پرداخت.

 

محلول سازی از جامدات

 

وسایل مورد نیاز برای محلول سازی جامدات عبارتند از : شیشه ساعت، بالن ژوژه مناسب، بشر، همزن شیشه ای، قاشقک یا اسپاتول و پیست آب مقطر.

برای توزین مواد جامد معمولا از یک ظرف تخت همانند پتری و یا یک تکه کاغذ تمیز و صاف استفاده می کنند. ظرف یا کاغذ مورد نظر را بر روی ترازو گذاشته و در صورت امکان ترازو را صفر می کنند. اگر امکان صفر کردن ترازو وجود ندارد، وزن آن را یادداشت نموده و در نهایت از وزن کل کم نمایید. پودر نمونه مورد نظر را بر روی پتری یا کاغذ می ریزند تا به وزن مورد نظر برسد.

 

توجه داشته باشید که مقدار نمونه برداشته شده بیش‌ تر از مقدار مورد نیاز نباشد. در واقع مقدار اضافه از ظرف مواد خارج نکنید تا مجبور به برگرداندن آن نشوید. در این صورت احتمال آلوده و نا خالص شدن ماده مورد نظر را کاهش می‌ دهید. علاوه بر آن دقت کنید که اگر از قاشقک استفاده می‌ کنید، قاشق‌ های آغشته شده به مواد گوناگون را برای سایر مواد شیمیایی استفاده نکنید.

ماده جامد توزین شده را به درون بالن ژوژه منتقل کرده و مقداری از حلال را به آن اضافه می کنند. بالن را به خوبی تکان می دهند تا حل شونده به طور تقریبی در حلال حل گردد. سپس مابقی حلال را به مقدار کافی به بالن اضافه نموده تا محلول تهیه شده به خط نشانک موجود بر روی بالن ژوژه برسد. به عنوان مثال محلول سازی آمونیوم دی کرومات با اتانول در شکل زیر آورده شده است.

 

لازم به ذکر است که پیش از آغاز به محلول سازی با غلظت معین، بایستی محاسبات لازم را انجام دهید تا بتوان مقدار دقیق حل شونده را با ترازو وزن نمود. معمولا برای ساخت یک محلول با غلظت معلوم از فرمول های غلظت معمولی، مولاریته، مولالیته و یا نرمالیته استفاده می کنند.

اما برخی اوقات در آزمایشگاه تهیه محلول ها را به کمک درصد جرمی (W/W)، درصد حجمی (V/V) و یا درصد وزنی حجمی (W/V) بیان می کنند. علاوه بر آن برای بیان غلظت محلول های بسیار رقیق معمولا از قسمت در میلیون (ppm) یا قسمت در میلیارد (ppb) استفاده می شود. تعریف، رابطه و مثال در مورد هر یک از انواع مختلف یسان غلظت در مقالات پیشین نشریه بیان شده است.

 

محلول سازی از مایعات

وسایل مورد نیاز برای محلول سازی مایعات عبارتند از : بشر، بالن ژوژه مناسب، پیپت مناسب، استوانه مدرج و پیست آب مقطر.

در محلول سازی مایعات به روش وزنی، برای وزن ‌کردن مایعات معمولا از بشر استفاده می کنند. بشر مورد نظر را بر روی ترازو گذاشته و در صورت امکان ترازو را صفر می کنند. بر طبق محاسبات انجام شده، مقدار حل شونده مورد نظر را وزن نموده و به بالن ژوژه انتقال می دهند. در نهایت با کمک حلال حجم محلول را به حجم مورد نظر می رسانند.

در محلول سازی مایعات به روش حجمی، بر طبق محاسبات انجام شده، حجم مشخصی از حل شونده را به کمک پیپت از محلول مادر (محلول اولیه) جدا نموده و به بالن ژوژه انتقال می دهند. در نهایت با کمک حلال حجم محلول مورد نظر را تا خط نشانک بالن ژوژه می رسانند.

 

توجه داشته باشید که برای اندازه ‌گیری حجم مایعات از ظروف شیشه ‌ای مدرج مثل بشر یا استوانه‌ مدرج استفاده می کنند. حال هر چه درجه‌ های ظروف شیشه ‌ای مدرج مورد استفاده ریزتر باشند، در نتیجه اندازه ‌گیری حجم دقیق ‌تر خواهد بود.

 

محلول سازی از محلول های غلیظ آزمایشگاه

معمولا در یک آزمایشگاه، محلول های مورد نظر به صورت غلیظ و با درصد خلوص مشخص وجود دارند. برای تهیه محلول های رقیق تر باید از این محلول های غلیظ که به محلول های استاندارد نیز مشهورند استفاده نمود. لازم به ذکر است که محلول های استاندارد را هم می توان به طور مستقیم از تولید کننده خرید و یا با کمک محلول سازی، مقدار معینی از حل شونده را در حجم مشخصی از حلال حل کرد.

در واقع در محلول های استاندارد رابطه بین مقدار ماده حل‌ شده و حلال یا رابطه بین مقدار ماده حل ‌شده و محلول معلوم می باشد. بنابراین با معلوم بودن مقدار ماده حل ‌شونده و همچنین مقدار حلال تشکیل دهنده محلول، می توان غلظت محلول را مشخص نمود.

 

لازم به ذکر است که در این بخش به درصد خلوص، دانسیته و همچنین جرم ملکولی محلول مادر احتیاج دارید. کاتالوگ و یا لیبل محلول استاندارد یا مادر شامل اطلاعات ارزشمندی نظیر موارد ذکر شده و همچنین سایر اطلاعات مورد نیاز می باشد. رابطه اصلی در این قسمت به صورت زیر است  :

که در آن C_M مولاریته‏ محلول مادر، M جرم مولکولی، a درصد خلوص و d چگالی آن می باشد.

در این شکل از محلول سازی، به کمک محلول غلیظ یک ماده و با استفاده از روابط غلظت و اضافه کردن آب، محلولی با حجم و غلظت مورد نظر را می سازند.. مثلا اسید های قوی که به صورت غلیظ به فروش می ‌رسند. در حقیقت برای این کار از روابط رقیق سازی استفاده می کنند. فرآیند رقیق سازی را می توان به دو دسته زیر تقسیم کرد :

۱- رقیق سازی به صورت درصدی

۱- رقیق سازی به صورت غلظتی

 

رقیق سازی به صورت درصدی

در روش رقیق سازی درصدی، با استفاده از رابطه زیر می توان از یک محلول غلیظ یا محلول مادر با درصد جرمی یا درصد خلوص مشخص، محلولی جدید با درصد جرمی یا درصد خلوص جدید ساخت.

(درصد محلول مادر / درصد محلول مورد نیاز) × مقدار مورد نیاز از محلول بر حسب میلی لیتر

به عنوان مثال ۴۵۰ میلی لیتر محلول اسید سولفوریک ۸۵ % تهیه کنید ؟ همانطور که می دانید محلول غلیظ اسید سولفوریک ۹۸ %  می باشد، بنابراین داریم :

 

۴۵۰ mL × ۸۵ % / ۹۸ % = C = 4 g / 0.5 L= 390.3 mL

بنابراین ۳۹۰/۳ میلی لیتر از اسید سولفوریک غلیظ برداشته و به حجم ۴۵۰ میلی لیتر می رسانند.

رقیق سازی به صورت غلظتی

در روش رقیق سازی غلظتی، با توجه به این مسئله که تعداد مول حل ‌شونده در محلول غلیظ و محلول رقیق یکسان می باشد، پس می توان از تساوی به وجود آمده استفاده نمود تا موارد مجهول را محاسبه کرد. در واقع با استفاده از روابط زیر می توان از یک محلول با غلظت مشخص، محلولی جدید با با غلظتی جدید ساخت.

۱- زمانیکه دو محلول یکدیگر را خنثی کنند.

N_۱ × V_۱ = N_۲ × V_۲

که در آن N_۱ نرمالیته‏ محلول اول، V_۱ حجم آن به لیتر، N_۲ نرمالیته‏‏ محلول دوم و V_۲ حجم آن به لیتر می باشد. رابطه فوق را می توان بر اساس غلظت معمولی (C) یا مولاریته (M) نیز نوشت. بنابراین داریم :

M_۱ × V_۱ = M_۲ × V_۲

C_۱ × V_۱ = C_۲ × V_۲

توجه داشته باشید که واحد های حجم برای هر دو حجم اولیه (V_۱) و حجم نهایی (V_۲) باید یکسان باشد.

 

۲- زمانیکه دو محلول استفاده شده کاملا یکدیگر را خنثی نکنند،در نتیجه نرمالیته محلول جدید را می توان به کمک رابطه زیر محاسبه کرد.

 

۳- زمانیکه دو یا چند محلول هم جنس با یکدیگر مخلوط شوند، در این صورت نرمالیته محلول جدید را می توان به کمک رابطه زیر محاسبه کرد.

 

۴- زمانیکه به یک محلول آب مقطر اضافه کنید و در واقع آن محلول را رقیق کنید، در این صورت نرمالیته محلول جدید را می توان به کمک رابطه زیر محاسبه کرد.

N_۱ × V_۱ = N × (V_۱ + V_H2O)

که در آن N_۱ نرمالیته‏ محلول اول، V_۱ حجم آن به لیتر، N نرمالیته‏‏ محلول جدید و V_H2O حجم آب مقطر می باشد.

 

محلول ساختن به صورت نسبت

در برخی مواقع، در آزمایشگاه محلول سازی را بر اساس یک نسبت مشخص تهیه می کنند. به عنوان مثال محلول ۲ به ۱ استیک اسید را تهیه نمایید ؟ در این صورت به ازای هر میلی لیتر اسید استیک، دو میلی لیتر آب مقطر با توجه به حجم محلول مورد نیاز اضافه می کنند.

فرمول محلول سازی

حلالیت حداکثر مقداری از املاح است که می تواند در یک مقدار مشخص حلال در یک دمای خاص حل شود. فرض کنید شکر دارید و سعی می کنید آن را در یک لیوان آب حل کنید. شکر را در آب بریزید و هم بزنید تا حل شود. اگر این کار را چند بار تکرار کنید، شکر حل نمی شود و شکر اضافی در ته شیشه می نشیند. مقدار شکری که پس از افزودن آن قابل حل نیست حلالیت آن است. حلالیت به عوامل زیادی بستگی دارد. عوامل متعددی شامل انواع املاح و حلال، دما و فشار است.

S = √Ksp

معادله حاصل ضرب حلالیت همان شکل کلی دیگر معادلات ثابت تعادل را دارد و Ksp را ثابت حاصل ضرب حلالیت می نامند.

اگر انحلال گرماگیر باشد، حلالیت باید با افزایش دما افزایش یابد و برعکس اگر انحلال گرمازا باشد. جامدات آنقدر تراکم ناپذیر هستند که فشار روی محلول های جامد در مایعات تأثیر چندانی ندارد. حلالیت املاح را می توان با تغییر دما افزایش داد. به طور کلی، آب مواد محلول را در دمای ۲۰ درجه سانتیگراد یا ۱۰۰ درجه سانتی گراد حل می کند. جامدات کم محلول را می توان با افزایش دما کاملاً مایع کرد. اما برای مواد گازی، دما اثر معکوس بر حلالیت دارد. با افزایش دما، گاز منبسط شده و از حلال خارج می شود.

همانطور که می دانید نیروهای بین مولکولی و خواص پیوند از مولکولی به مولکول دیگر متفاوت است. امکان انحلال بین دو عنصر مختلف در مقایسه با مواد مشابه دشوارتر است. به عنوان مثال، آب یک حلال پروتیک است که املاح قطبی مانند اتانول را به راحتی حل می کند. مواد گازی نسبت به مواد جامد و مایع بسیار حساستر به فشار هستند. با افزایش فشار جزئی گاز، حلالیت آن نیز افزایش می یابد. بطری های نوشابه یکی از نمونه های بطری CO2 تحت فشار بالا هستند.