من المتعارف عليه في عالم الكيمياء أن حلول هي مخاليط متجانسة تتكون من مادتين: المادة التي تذوب والمادة التي تذيبها. تسمى المادة التي تذوب بـ solutoأما الذي يعمل كوسيط مذيب فيُعرف باسم مذيبيشكل كلاهما طورًا مرئيًا واحدًا، تتوزع فيه جزيئات المذاب بشكل موحد.
وتشمل هذه الحلول ما يلي: الحلول التجريبية و حلول قيمةتشمل المجموعة الأولى جميع المحاليل التي لا يمكن معرفة كمية المذاب التي يمكن للمذيب إذابتها بدقة، بينما تمثل المجموعة الثانية الحالة المعاكسة: فهي محاليل التركيز معروف ومضبوط تماماً..
هناك عدة عوامل يجب تحديدها لمعرفة كميات المذاب في المحلول، ولفهمها جيدًا، من الضروري التعمق في ماهية المحاليل القياسية بالضبط، وكيفية تصنيفها، وكيفية التعبير عن تركيزها، وما هي الاختلافات التي تقدمها مقارنة بالمحاليل التجريبية.
ما هي الحلول القيمة؟
ال حلول قيمة، يدعو أيضا الحلول القياسيةهذه هي جميع تلك التي يتم فيها تحديد كميات المذاب والمذيب اللازمة لإعداد المحلول بدقة. تركيز معروف وقابل للتكرارهذا يعني أننا نعرف عدد المولات أو الغرامات أو المليلترات من المذاب الموجودة في حجم محدد من المحلول، وبالتالي فإن التركيز هو... موحد.
يُعد هذا النوع من الحلول أساسياً في العلوم والتكنولوجيا والطب والصناعةوذلك لأنها تُستخدم في عمليات لا مجال فيها للخطأ، مثل التحليلات الكيميائية، ومراقبة الجودة، وتحضير الأدوية، والمعايرة الحجمية، وغيرها. فقد يؤدي أي تغيير طفيف في كمية المذاب أو المذيب إلى تغيير نتيجة التجربة أو أداء المنتج بشكل كامل.
لإعداد محلول معياري، يجب اتباع الخطوات التالية: لقياس أو وزن الأشياء بدقة يجب فحص كل مكون من مكونات المحلول والتأكد من عدم وجود أي ملليغرام واحد من المذاب أو المذيب ملتصقًا بأي من أدوات القياس. يتضمن ذلك استخدام موازين تحليلية, أدوات زجاجية معايرة الحجم (مثل القوارير الحجمية والماصات والسحاحات) وتقنية المختبر الدقيقة.
في هذا السياق، يُعتبر الحل ذا قيمة عندما يكون كل من ماسا س لوس مولات الحلمثل الحجم الكلي للمحلول وبالتالي يمكن التعبير عن تركيزه بوحدات مثل المولارية, السواء, النسب المئوية حسب الكتلة أو الحجم، وغيرها.
مكونات الحلول القيمة
تشترك جميع الحلول، بما في ذلك تلك التي تم تقييمها، في نفس المكونات الأساسية:
• المذيب أو المذيب: هو المكون الموجود في نسبة أكبر وهذا لديه القدرة على تذوب بالنسبة للمذاب. في العديد من المحاليل المائية، يكون المذيب الرئيسي هو الماء، ومن هنا جاء مصطلح المحاليل المائية. ومع ذلك، يمكن استخدام مذيبات عضوية مثل الإيثانول والميثانول والإيثر، من بين مذيبات أخرى.
• Soluto: هي المادة الموجودة في أقل كمية وهذا يذوب في المذيب. ويمكن أن يكون في حالة صلب أو سائل أو غازيفي المحاليل القياسية، يكون المذاب عادةً مركبًا عالي النقاء لضمان أن التركيز المحسوب هو التركيز الذي تم الحصول عليه بالفعل.
ما يميز الحل القيّم عن أي حل آخر ليس مكوناته، بل... درجة التحكم والدقة مما يسمح لنا بمعرفة كميات المذاب والمذيب المستخدمة، وبالتالي تركيزها.
أنواع الحلول ذات القيمة
يمكن ملاحظة وجود ثلاثة أنواع رئيسية من حلول قيمةوالتي يتم تصنيفها وفقًا للطبيعة الكيميائية للمذاب والطريقة التي يتم بها تصميم تركيزاتها: الحلول الأولية, المحاليل الأيونية y محاليل مصنعة.
الحلول الأولية
ال الحلول الأولية يتم الحصول عليها من محاليل مركبات أخرى، ولكنها تتكون من العناصر في حالتها النقية أو بواسطة أنواع بسيطة ذات تركيب محدد تمامًا. يشير المصطلح إلى أن المذاب يأتي من عنصر كيميائي أو شكل بسيط جدًا منه.
في الممارسة المختبرية، يتم تحضير هذا النوع من المحاليل من مواد درجة نقاء عالية، ملك من البيزو atómico o الكتلة المولية وهو معروف ومقبول دوليًا. وهذا يسمح بإجراء حسابات موثوقة لـ مولات الحل التي يتم دمجها في حجم محدد من المذيب.
المحاليل الأيونية
ال المحاليل الأيونية هذه هي تلك التي عندما يذوب المذاب في المذيب، فإن المذيب يتفكك إلى أيونات أو يتحلل إلى جزيئات مشحونة كهربائياً. أي أن المذاب ينفصل إلى الكاتيونات (الشحنة الموجبة) y الأنيونات (الشحنة السالبة)والتي يتم توزيعها في جميع أنحاء الحل.
المثال الأكثر شيوعًا لهذا الحل هو مثال ملح الطعام (كلوريد الصوديوم، NaCl) في الماءلأن المركب يتفكك إلى أيونات الصوديوم (Na+) والكلوريد (Cl-) عند ملامسته للمذيب. ويحدث الشيء نفسه مع العديد من المركبات الأيونية الأخرى، مثل الكبريتات، والنترات، والكلوريدات، والهيدروكسيدات ومتنوعة الأحماض والقواعد القوية.
تُستخدم هذه الحلول بشكل شائع في تحليل كيميائي من الأيونات، على سبيل المثال لتحديد كمية الكلوريد (Cl-), الكبريتات (SO42-), الصوديوم (Na+), البوتاسيوم (K+) أو أيونات أخرى في العينة. تسمح المحاليل الأيونية المعيارية بتحليل الأيونات في العينة. المعايرات، الترسيب المتحكم به وغيرها من التقنيات التي يكون فيها وجود وتركيز أيونات معينة أمراً أساسياً.
الحلول المصاغة
ال محاليل مصنعة هي مواد محضرة من حساب دقيق للعناصر التي تُكوّنها ومنها الوزن الذري أو الكتلة الموليةفي هذه الحلول، يتم تصميم التركيبة مع مراعاة كمية كل نوع التي ترغب في تضمينها، بالإضافة إلى سلوكها الكيميائي.
تعتمد هذه الطرق على حساب نسبة كل مكون، بحيث يكون للحل الناتج قيمة معينة. التركيز الدقيققد يتضمن ذلك، على سبيل المثال، حساب عدد غرامات الملح المطلوبة لتحضير حشا مع شيء معين pHأو كم عدد المواد المختلفة التي يجب خلطها للحصول على وسط الاستنبات بتركيبة محددة.
في المختبرات والصناعة، تسمح المحاليل المُصاغة بإعادة الإنتاج ظروف كيميائية متطابقة في دفعات إنتاج مختلفة، وهو أمر ضروري لضمان الجودة والاستقرار من المنتجات.
كيفية حساب قيم المواد في محلول معياري؟
لحساب قيم الحل، من الضروري معرفة ما هو المواد المتضمنة وما نوع وحدة تركيز سيتم استخدامه. وبحسب الحالة، يمكن العمل مع الوحدات الكيميائية (بناءً على المولات أو ما يعادلها) أو مع الوحدات المادية (بناءً على الكتلة والحجم).
في الوحدات الكيميائية وتشمل بشكل رئيسي ما يلي: المولارية و السواء، بينما في الوحدات المادية علاقات مثل كتلة المذاب مقابل حجم المحلول س لوس النسب المئوية حسب الكتلة أو الحجم.
الوحدات الكيميائية
- مولارية: هو مقياس للتركيز يشير إلى كمية مولات الحل حاضر في لتر واحد من المحلوليمكن تطبيقه على المواد المذابة ذات الطبيعة الأيونية أو الجزيئية أو الذرية. في الكيمياء، يُعرف باسم التركيز المولي ويرمز إليه بالحرف Mصيغتها العامة هي: M = عدد مولات المذاب / حجم المحلول باللتر. يمكن أن تؤثر درجة الحرارة على حجم المحلول، وبالتالي على التركيز المولاري.
- طبيعي: يُعرَّف بأنه العلاقة بين كمية المكافئات الغرامية للمذاب و حجم المحلول باللترات. يرمز إلى الوضع الطبيعي بـ N وهو مفيد بشكل خاص في عمليات معادلة الحمض والقاعدة و تفاعلات الأكسدة والاختزال، حيث من المهم معرفة عدد المكافئات التي تشارك في التفاعل.
الوحدات الفيزيائية
- النسبة المئوية الكتلي بالكتلة: هي نسبة كتلة المذاب والذي يوجد في حل لكل 100 وحدة كتلة من المحلوليتم حسابها باستخدام العلاقة التالية: % m/m = (كتلة المذاب / الكتلة الكلية للمحلول) × 100.
- نسبة الكتلة إلى الحجم: هي نسبة كتلة المذاب (عادةً بالجرام) موجود لكل 100 مل من المحلولإحدى الطرق الشائعة للتعبير عنها هي: % m/v = (غرامات المذاب / ملليلترات المحلول) × 100.
- النسبة المئوية للحجم من حيث الحجم: يشير إلى كمية حجم المذاب (بالمليلتر أو السنتيمتر المكعب) لكل منها 100 وحدة من حجم المحلولالصيغة هي: % v/v = (حجم المذاب / الحجم الكلي للمحلول) × 100.
- غرام لكل لتر (غ/ل): إنها طريقة أخرى للتعبير عن التركيز، وربطها بـ كتلة المذاب بالجرام مع حجم المحلول باللتراتالصيغة هي: غ/ل = غرامات المذاب / لترات المحلول. وهي وحدة مستخدمة على نطاق واسع على المستوى الوطني. التعليمية وفي ممارسات المختبر البسيطة.
تجدر الإشارة إلى أنه في جميع هذه الحالات تركيز إنها العلاقة الموجودة بين كمية المذاب وكمية المذيب (أو المحلول) في المحلول، والتي يمكن التعبير عنها بالطرق الموضحة أعلاه اعتمادًا على السياق العلمي أو الصناعي الذي يعمل فيه المرء.
علاوة على ذلك، من المهم للغاية معرفة قابلية ذوبان الموادالذوبانية، وهي قدرة المذاب على الذوبان في المذيب حتى حد معين. وتعتمد هذه الخاصية على عوامل مثل... درجة الحرارة، الضغط (خاصة في المحاليل الغازية) و الطبيعة الكيميائية من المذاب والمذيب. يمكن ربط الذوبانية بمفاهيم المولارية y السواءوكذلك مع معايير التوازن الأخرى.
الاختلافات بين الحلول القيمة والتجريبية
الفرق الرئيسي بين حلول قيمة و الحلول التجريبية يكمن ذلك في درجة معرفة تركيزهمالمحاليل التجريبية هي تلك التي لا يمكن فيها تحديد الكمية الدقيقة للمذاب في المحلول (أو لا يتم تحديدها)، بينما المحاليل المعيارية هي تلك التي، كما يشير اسمها، تحتوي على القيم الكميةأي أن مكوناتها مثالية قابل للحساب والمعارف.
عادةً ما يتم إعداد الحلول التجريبية بشكل تقريبي، باستخدام مصطلحات مثل "ملعقة صغيرة" o "قرصة"والتي لا تعبر عن التركيز كدالة للكتلة الدقيقة أو عدد المولات في المحلول. في هذا النوع من المحاليل، تكون القياسات الدقيقة ضرورية. إنها ليست ضرورية بالنسبة للنتيجة النهائية، فإن الاختلافات الملحوظة بين تحضير وآخر مقبولة.
في المقابل، يتم تحضير الحلول القيّمة في مخطط ودقيقتُوزن المواد المذابة بدقة، وتُستخدم أوانٍ زجاجية حجمية معايرة لقياس الأحجام، وتُضبط عملية التحضير لتقليل الأخطاء إلى أدنى حد. في كثير من الحالات، التقييس اللاحق من خلال عمليات المعايرة باستخدام المعايير الأولية، لتأكيد وضبط التركيز الفعلي للمحلول.
كيف يمكن الحصول على حل ذي قيمة؟
يمكن فهم النتائج التي يمكن الحصول عليها عند العمل مع الحلول القيّمة بشكل أفضل من خلال تمارين يتم فيها تطبيق كل ما ورد في هذه المقالة، وذلك لتحديد مستوى الذوبان لكل مكون و التركيز الدقيق من الحل النهائي. ومع ذلك، بشكل عام، فإن إجراء الحصول على حل معياري يتبع سلسلة من الخطوات الأساسية.
لتحديد التركيز أو تصميم محلول قياسي، يجب مراعاة عدة عوامل. العوامل المحددة:
• و درجة الحرارة من المواد، مما يؤثر على كل من قابلية الذوبان وحجم المذيب.
• و الضغط في حالة المحاليل القائمة على الغاز.
• و الطبيعة الكيميائية كل من المذيب والمذاب (القطبية، وجود المجموعات الوظيفية، إلخ).
• وجود الأيونات عوامل إضافية قد تُسهّل أو تُعيق عملية التحلل.
• ش درجة حموضة المحلولخاصة عند العمل مع الأحماض أو القواعد أو أنظمة المحاليل المنظمة.
• وجود عوامل معقدة التي تشكل مركبات مع المذاب وتغير قابليته للذوبان.
La الذوبان ويعتمد ذلك أيضاً على ما يسمى بمعامل الذوبان (Kps أو Ksp)، وهي قيمة تشير إلى قدرة مركب أيوني قليل الذوبان على الذوبان في مذيب معين. بمعرفة Kps من خلال دراسة مواد مختلفة، يمكن تقدير كمية المذاب التي يمكن أن تذوب في ظل ظروف محددة من درجة الحرارة والضغط.
بعض الأمثلة على المركبات قليلة الذوبان (ذات ثابت الذوبان K)ps (عادةً ما تكون صغيرة جدًا) هي:
- مجمع: كربونات الباريوم، الصيغة الكيميائية: BaCO33. هدايا انخفاض الذوبان في الماء و Kps صغيرة، وهي سمة مميزة للأملاح قليلة الذوبان.
- مجمع: فلوريد الباريوم، الصيغة: BaF2. لديها أيضا انخفاض الذوبان في الماء، مع Kps قليل.
- مجمع: هيدروكسيد الألومنيوم، الصيغة: Al(OH)3. هدايا قابلية ذوبان محدودة في الماء، ويتأثر بدرجة حموضة الوسط.
توضح هذه الأمثلة أن للمركبات المختلفة ثوابت ذوبان تسمح لنا بالتنبؤ بمدى سهولة ذوبان الملح في ظل ظروف معينة. يُفضل الرجوع إلى الجداول والمصادر الموثوقة للحصول على القيم العددية لثابت الذوبان (K).ps عندما تكون الدقة مطلوبة.
ينبغي أيضًا مراعاة ما يلي بعناية مستوى التركيز من بين المواد، لأنه كلما اقترب المحلول من التشبع، يصبح من الصعب إذابة المزيد من المذاب. تحليل حجم و ماسا من خلال معرفة قيم المولات أو التركيز المولي لكل مكون، يمكن تحديد القيم الدقيقة التي تصف المحلول القياسي. ويتم ذلك عادةً عن طريق إجراءات دقيقةوالتي قد تكون معقدة إلى حد ما وتتطلب خبرة في المختبر.
من الأمثلة البسيطة على الذوبانية ما يلي: سكرعند درجة حرارة حوالي 20 درجة مئوية، يمكن للماء أن يذيب ما يقارب 1330 غرام من السكر لكل لتر من الماء. على الرغم من أن عملية الذوبان بأكملها قد تكون بطيئة، إلا أنها قد تستغرق حوالي 30 دقيقة في النهاية، يعتمد ذلك على حجم الجسيمات والتحريك.
الحلول التجريبية وعلاقتها بالتركيز
ل الحل التجريبي هل هذا الذي ليس له تركيز محدد بدقة.بخلاف المحاليل المعيارية، لا تحتوي المحاليل التجريبية على كمية محددة معروفة من المذاب في المذيب من حيث المولارية أو العيارية أو غيرها من الوحدات الكمية. ويتم تحضيرها دون حسابات دقيقة، بالاعتماد عموماً على الخبرة أو القياسات التقريبية.
تُستخدم في العديد من السياقات اليومية، مثل المطبخ. المصطلحات التجريبية مثل "ملعقة صغيرة" أو "رشة" أو "قليل من الماء" للإشارة إلى الكميات التقريبية. هذه المصطلحات لا تعبر عن التركيز بناءً على الكتلة الدقيقة، و عدد المولات س لوس المكافئات الكيميائية وبالتالي، لا يمكن استخدامها في سياق تجريبي يتطلب الدقة لأنها موجودة في المحلول.
ومع ذلك، فإن للحلول التجريبية فائدتها عندما يكون المطلوب حلاً واحداً فقط. التأثير النوعي (على سبيل المثال، لإضافة نكهة أو لون أو قوام) ولا حاجة للتحكم في النتيجة كميًا. أما عند الحاجة إلى إعادة إنتاج خصائص المحلول بدقة، فيتم استخدام ما يلي: حلول قيمة.
أنواع أخرى ذات صلة: المحاليل المولية، والفورمالية، والمولالية، والعادية
توجد عدة طرق متخصصة للتعبير عن المحاليل القياسية وإعدادها، والتي تُستخدم بشكل متكرر في الكيمياء والمجالات ذات الصلة:
• حلول الأضراسهذه هي تلك التي فيها، في لتر واحد من المحلوليوجد عدد من غرامات المادة المذابة يساوي حجمها الوزن الجزيئي أو الكتلة الموليةعلى سبيل المثال، يحتوي محلول NaCl بتركيز 1 مولار على عدد من غرامات NaCl يساوي ما تشير إليه كتلته المولية في لتر واحد من المحلول.
• حلول رسميةتُستخدم بشكل أساسي للمواد التي تشكل الأيونات في المحلوليتم التعبير عن الرسمية في F ويشير إلى عدد عدد مولات الصيغة كمية المذاب لكل لتر من المحلول، مع الأخذ في الاعتبار الصيغة الكاملة للمركب.
• محاليل مولاليةيُعرَّف تركيزه بأنه عدد عدد مولات المذاب لكل كيلوغرام من المذيبالوحدة هي مول/كجم، وغالبًا ما يتم تمثيلها على النحو التالي: m (بحروف صغيرة). المولالية مفيدة للغاية لأنها لا تعتمد على الحجم، الذي يمكن أن يتغير بتغير درجة الحرارة.
• المحاليل العاديةتشير إلى عدد مكافئات غرامية من المذاب لكل لتر من المحلولتُستخدم على نطاق واسع في عمليات التحييد y درجات بين المواد الحمضية والقاعدية، وكذلك في تفاعلات الأكسدة والاختزال.
في جميع الأحوال، يكمن المفتاح في أن يتم إعداد هذه الحلول على النحو التالي: حلول قيمةأي مع التحكم الدقيق في كميات المذاب والمذيب، بحيث يمكن استخدام تركيزه كمرجع في الحسابات والتفاعلات الكيميائية.
تُعدّ الحلول التي نستخدمها جزءًا لا يتجزأ من الحياة اليومية والممارسة العلمية. فمن المحلول الملحي البسيط إلى أوساط الاستنبات الميكروبيولوجية المعقدة أو الأدوية القابلة للحقن، يعتمد معظمها على محاليل تم تركيزها... قيمة دقيقةإن فهم أنواع المحاليل ووحدات التركيز والعوامل التي تؤثر على الذوبان يسمح بتفسير أفضل للعديد من العمليات الطبيعية والتكنولوجية، فضلاً عن العمل الأكثر أمانًا ودقة في المختبر.