تهیه محلول ها در آزمایشگاه شیمی | به زبان ساده

در مطالب قبلی مجله فرادرس به بررسی غلظت محلول‌ها همچون مولاریته پرداختیم. اطلاع از غلظت محلول در کنترل استوکیومتری واکنش‌دهنده‌ها برای انجام واکنش‌ها در محلول بسیار ضروری است. در این بخش به بررسی نحوه آماده‌سازی و تهیه محلول ها در آزمایشگاه از جمله تهیه محلول‌های درصدی و مولار خواهیم پرداخت.

تهیه محلول

برای تهیه محلولی که شامل غلظت مشخصی از یک ماده است باید تعداد مول مورد نظر از حل‌شونده را در مقدار کافی حلال، حل کنیم تا به حجم نهایی از محلول برسیم. این فرآیند تهیه محلول در تصویر زیر نشان داده شده است. در این تصویر، تهیه محلول کبالت (II) کلرید در اتانول را مشاهده می‌کنید. توجه داشته باشید که حجم حلال مشخص نشده است. از آن‌جایی که حل‌شونده در فضای محلول، حجم اشغال می‌کند، حجم حلال مورد نیاز همواره کمتر از حجم محلول مورد نظر خواهد بود.

به طور مثال، اگر حجم مورد نیاز، ۱ لیتر بود، نباید ۱ لیتر آب را به ۳۴۲ گرم پودر جامد اضافه می‌کردیم چراکه در اینصورت، حجم محلول حاصل، به بیش از ۱ لیتر می‌رسید. این مورد در تصویر زیر به خوبی نشان داده شده است.

فیلم آموزش محلول سازی در آزمایشگاه در فرادرس

کلیک کنید

در این مثال، می‌خواهیم محلولی با حجم ۲۵۰ میلی‌لیتر تهیه کنیم. مقدار ۹۰ گرم از محلول آمونیوم دی‌کرومات را در یک بالن حجمی با حجم ۲۵۰ میلی‌لیتر قرار می‌دهیم. یک استوانه مدرج هم با حجم ۲۵۰ میلی‌لیتر آب نیز در اختیار داریم. در پایان، می‌بینید که با به حجم رساندن محلول مورد نظر به خطِ نشان در بالن حجمی، ۴۵ میلی‌لیتر آب در استوانه باقی می‌ماند که یعنی، به مقدار کمتری از ۲۵۰ میلی‌لیتر آب نیاز داشتیم.

مثال تهیه محلول کبالت (II) کلرید

محلولی که در تصویر اول مشاهده کردید، شامل ۱۰ گرم کبالت (II) کلرید دو‌آبه $$(C o C l _2 . 2 H _ 2 O )$$ به همراه حجم کافی از اتانول برای تهیه محلول با حجم ۵۰۰ میلی‌لیتر است. غلظت مولی $$(C o C l _2 . 2 H _ 2 O )$$ را حساب کنید.

• معلوم: جرم حل‌شونده و حجم محلول
• مجهول: غلظت

برای پیدا کردن تعداد مول $$(C o C l _2 . 2 H _ 2 O )$$، جرم ترکیب را بر جرم مولی آن تقسیم کنید. با تقسیم تعداد مول حل‌شونده به حجم محلول (لیتر)، مولاریته آن محاسبه می‌شود. جرم مولی $$(C o C l _2 . 2 H _ 2 O )$$ برابر با 165/87 گرم بر مول است. بنابراین، برای محاسبه تعداد مول حل‌شونده خواهیم داشت:

$$\require {cancel} moles\: C o C l_2 \cdot 2 H_2 O = \left( \dfrac{10.0 \: \cancel {g }} {165 .87\: \cancel {g } /mol} \right) = 0 .0603\: mol$$

حجم محلول به لیتر به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$volume = 500\: \cancel {m L } \left( \dfrac {1\: L} {1000\: \cancel {m L }} \right) = 0 .500\: L$$

طبق تعریف، مولاریته برابر است با تعداد مول حل‌شونده به ازای هر لیتر محلول. بنابراین، مولاریته محلول به صورت زیر محاسبه خواهد شد:

$$molarity = \dfrac {0.0603\: mol} {0.500\: L} = 0.121\: M = C oC l _2 \cdot H _ 2 O$$

تهیه محلول با حجم مشخص از حل‌شونده با غلظت معین

برای تهیه محلول با حجم مشخص شامل حل‌شونده با غلظت معین، در ابتدا باید تعداد مول حل‌شونده در حجم مورد نظر محلول را محاسبه کنیم. در ادامه، تعداد مول‌های حل‌شونده را به جرم متناظر با آن تبدیل می‌کنیم. این فرآیند در مثال زیر بررسی می‌شود.

مثال تهیه محلول با حجم مشخص از حل‌شونده

از محلولی به نام $$D5W$$ با غلظت 0/310 مولار به عنوان سرم وریدی در پزشکی استفاده می‌شود. $$D5W$$ به طور معمول شامل محلول ۵ درصد دکستروز (نام پزشکی گلوکز) در آب است. جرم گلوکز مورد نیاز برای تهیه سرم ۵۰۰ میلی‌لیتر $$D5W$$ را محاسبه کنید. جرم مولی گلوکز برابر با 180/16 گرم بر مول است.

• معلوم: مولاریته، حجم، جرم مولی حل‌شونده
• مجهول: جرم حل‌شونده

برای حل این سوال، مراحل زیر را دنبال می‌کنیم:

• تعداد مول گلوکز در حجم مشخص از محلول را به کمک ضرب حجم محلول در مولاریته، محاسبه کنید.
• جرم گلوگز مورد نیاز را با ضرب تعداد مول ترکیب در جرم مولی آن بدست آورید.

در ابتدا تعداد مول گلوگز موجود در ۵۰۰ میلی‌لیتر محلول 0/310 مولار را محاسبه می‌کنیم.

$$\begin {equation} \begin {array} {c} V_ {L} M_ {m o l / L}= \text {moles} \\ 500 \mathrm {m L} \left (\frac {1 \not \mathrm {K}} {1000 \mathrm {p A } }\right) \left( \frac {0.310 \mathrm {mol} \text { glucose}} {1 \not \mathrm{ K} } \right) = 0.155 \mathrm {mol} \text { glucose } \end {array} \end {equation}$$

در ادامه نیز تعداد مول گلوکز را به جرم مورد نیاز برای تهیه محلول تبدیل می‌کنیم:

$$mass \: of \: glucose = 0.155 \: \cancel {mol\: glucose} \left ( \dfrac {180.16 \: g\: glucose} {1\: \cancel {mol\: glucose } } \right ) = 27.9 \: g \: glucose$$

تهیه محلول های رقیق از محلول های غلیظ (رقیق سازی محلول ها)

محلولی با غلظت معلوم را همچنین می‌توان به کمک رقیق‌سازی حجم کمتری از محلول غلیظ‌تر با آب، تهیه کرد. یک «محلول مادر» (Stock Solution)، محلولی است که به صورت تجاری با غلظت معین تهیه شده باشد. به طور معمول سعی بر این است که محلول مادر را رقیق کنند چراکه روش دیگر، یعنی وزن کردن مقادیر کم از حل‌شونده، دقت آزمایش را کاهش می‌دهد. همچنین، در مواردی همچون اسیدهای قوی، که محلول‌ها را به صورت غلیظ به فروش می‌رسانند، از رقیق سازی استفاده می‌شود.

فیلم آموزش آزمایشگاه شیمی عمومی – به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

در این روش، با توجه به اینکه تعداد مولی حل‌شونده در محلول اولیه (غلیظ) و محلول ثانویه (رقیق) یکسان است، از تساوی بوجود آمده استفاده می‌کنیم تا موارد مجهول محاسبه شوند. در اینصورت روابط زیر برقرار خواهند بود. در این روابط، زیروندهای «s» و «d» به ترتیب معادل محلول مادر و رقیق هستند.

$$n = (V _s) (M_s)$$

$$n = (V _d) (M_d)$$

$$(V _s) (M_ s) = moles\: of\: solute = (V _d) (M _d)$$

مثال رقیق‌سازی محلول‌ها

چه حجم از محلول مادر ۳ مولار گلوکز برای تهیه محلول $$D5W$$ مثال قبل با حجم ۲۵۰۰ میلی‌لیتر نیاز داریم.

• معلوم: حجم و مولاریته محلول رقیق
• مجهول: حجم محلول مادر

برای حل این سوال، مراحل زیر را دنبال می‌کنیم:

• تعداد مول‌های گلوکز در محلول رقیق را به کمک ضرب حجم در مولاریته محاسبه خواهیم کرد.
• برای تعیین حجم محلول مادر مورد نیاز، تعداد مول گلوکز را بر مولاریته تقسیم می‌کنیم.

غلظت محلول $$D5W$$ مثال قبل برابر با 0/310 مولار بود. تعداد مول گلوکز در ۲۵۰۰ میلی‌لیتر محلول را محاسبه می‌کنیم.

$$moles\: glucose = 2500\: \cancel {m L } \left( \dfrac {1\: \cancel { L } } {1000\: \cancel {m L }} \right ) \left( \dfrac {0 .310\: mol\: glucose} {1\: \cancel { L }} \right) = 0 .775\: mol\: glucose$$

حال باید حجم محلول ۳ مولار شامل این مقدار گلوکز را حساب کنیم:

$$volume\: of\: stock\: soln = 0 .775\: \cancel {mol\: glucose} \left ( \dfrac {1\: L} {3 .00\: \cancel {mol\: glucose } } \right ) = 0 .258\: L\: or\: 258\: m L$$

در تعیین حجم محلول مادر مورد نیاز، باید تعداد مول مورد نیاز گلوکز را بر غلظت محلول مادر تقسیم می‌کردیم تا به واحد مناسبی دست پیدا کنیم. همچنین، تعداد مول حل‌شونده در ۲۵۸ میلی‌لیتر از محلول مادر، برابر با همان تعداد مول در محلول رقیق با حجم ۲۵۰۰ میلی‌لیتر خواهد بود و تنها مقدار حلال عوض شده است.

بهتر است جوابی که به آن رسیدیم را تحلیل کنیم. با رقیق کردن محلول مادر به میزان ده برابر، حجم آن نیز در حدود ده برابر افزایش پیدا می‌کند یعنی از ۲۵۸ میلی‌لیتر به ۲۵۰۰ میلی‌لیتر رسیدیم. در اثر این اتفاق، غلظت حلال نیز باید در حدود ده برابر کاهش پیدا کند که از ۳ مولار به 0/310 مولار رسیدیم. لازم به ذکر است، این سوال را می‌توانستیم در یک مرحله و به شکل زیر حل کنیم:

$$V _ s = \dfrac {( V _ d ) (M _ d )} {M _ s} = \dfrac {(2 .500\: L)(0 .310\: \cancel {M} )} {3 .00\: \cancel {M}} = 0 .258\: L$$