محلولهای جرمی–جرمی: وقتی وزن مهم میشود!
غلظت چیست و چرا به روشهای مختلف بیان میشود؟
بیایید با یک مثال ساده شروع کنیم. وقتی یک قاشق شکر را در یک لیوان آب حل میکنیم، یک محلول رقیق درست میکنیم. اگر پنج قاشق شکر در همان مقدار آب بریزیم، محلول غلیظتر یا پررنگتر میشود. این مفهوم «پررنگ بودن» یا «غلیظ بودن» در علم شیمی، غلظت نامیده میشود. غلظت در واقع مقدار مادهای (حلشونده) است که در مقدار معینی از حلال یا کل محلول وجود دارد.
دانشمندان و مهندسان برای کارهای مختلف، به روشهای متفاوتی برای بیان این مقدار نیاز دارند. گاهی مهم است بدانیم در یک لیتر محلول چند گرم ماده وجود دارد (غلظت جرمی-حجمی). گاهی تعداد ذرات ماده در حجم معینی مهم است (غلظت مولاریته). و گاهی، مثل وقتی که با مقادیر بسیار دقیق در تهیه دارو یا غذا سروکار داریم، نسبت جرم ماده به جرم کل مخلوط، اطلاعات دقیقتری به ما میدهد. اینجاست که مفهوم محلول جرمی-جرمی خودنمایی میکند.
درصد جرمی: زبان رایج محلولهای جرمی-جرمی
متداولترین و سادهترین راه برای بیان غلظت به روش جرمی-جرمی، استفاده از درصد جرمی است. درصد جرمی (که با نماد % $w/w$ یا $\%(m/m)$ نیز نشان داده میشود) به ما میگوید که در هر 100 واحد جرمی از محلول، چند واحد جرمی از آن، حلشونده است.
$\text{درصد جرمی (\% w/w)} = \frac{\text{جرم حلشونده (گرم)}}{\text{جرم کل محلول (گرم)}} \times 100$
یادآوری: جرم کل محلول = جرم حلشونده + جرم حلال
مثال عملی: فرض کنید میخواهیم 250 گرم از یک محلول نمک طعام (سدیم کلرید) 10 درصد جرمی تهیه کنیم. مراحل کار به صورت گامبهگام:
- درصد مورد نظر 10% است. یعنی در هر 100 گرم محلول، 10 گرم نمک وجود دارد.
- برای 250 گرم محلول، جرم نمک مورد نیاز را محاسبه میکنیم: $\frac{10}{100} \times 250 = 25$ گرم نمک.
- جرم آب (حلال) مورد نیاز: 250 - 25 = 225 گرم آب.
- حالا 25 گرم نمک را با 225 گرم آب مخلوط میکنیم. نتیجه، 250 گرم محلول نمک 10\% (w/w)$ است.
دقت کنید که در این روش چون با جرم سروکار داریم، تغییرات دما تأثیری روی غلظت ندارد (برخلاف روشهای حجمی که با انبساط و انقباض مایع مشکل ایجاد میشود).
| نام روش | نماد | تعریف | کاربرد اصلی |
|---|---|---|---|
| درصد جرمی | %(m/m) یا % w/w | (جرم حلشونده / جرم محلول) × 100 | صنایع غذایی، داروسازی، محلولهای غلیظ |
| درصد حجمی | %(v/v) | (حجم حلشونده / حجم محلول) × 100 | محلولهای الکلی، عطرها |
| مولاریته5 | M | تعداد مولهای حلشونده در یک لیتر محلول | محاسبات استوکیومتری6 در واکنشها |
| غلظت جرمی-حجمی | g/L یا g/dL | جرم حلشونده (گرم) در یک لیتر (یا دسیلیتر) محلول | آزمایشهای خون (مثل قند خون) |
محلولهای جرمی-جرمی در زندگی روزمره و صنعت
شاید ندانید، اما هر روز با این نوع محلولها سر و کار دارید! اطلاعات تغذیهای روی بستهبندی خوراکیها، نمونهای بارز از این کاربرد است.
به یک بسته پنیر نگاه کنید. ممکن است نوشته باشد: «چربی: 20%». این عدد در واقع یک درصد جرمی است. یعنی در هر 100 گرم از آن پنیر، 20 گرم چربی وجود دارد. یا روی شیشه یک شربت سرفه ممکن است بنویسد: «حاوی 5% (w/w)$ ماده مؤثره». این یعنی در هر 100 گرم از این شربت، 5 گرم داروی اصلی موجود است. در صنایع آرایشی، درصد مواد مرطوبکننده یا ضد آفتاب نیز اغلب به همین روش بیان میشود.
علت این است که در تولید انبوه، وزن کردن مواد اولیه بسیار دقیق و کنترلشدهتر از اندازهگیری حجم آنهاست. زیرا حجم مایعات و حتی برخی مواد جامد میتواند با دما تغییر کند، اما جرم همواره ثابت است.
محاسبات پیشرفتهتر: از درصد به جرم و برعکس
حالا که مفهوم پایه را فهمیدیم، بیایید دو مسئله کمی چالشبرانگیزتر را با هم حل کنیم تا تسلطمان بیشتر شود.
مسئله ۱: اگر 15 گرم شکر را در 135 گرم آب حل کنیم، درصد جرمی محلول حاصل چقدر است؟
۱. جرم کل محلول = جرم شکر + جرم آب = 15 + 135 = 150 گرم.
۲. جرم حلشونده (شکر) = 15 گرم.
۳. درصد جرمی = $\frac{15}{150} \times 100 = 10\% (w/w)$.
مسئله ۲: چه مقدار نمک و آب لازم است تا 500 گرم از یک محلول 15% (w/w)$ نمک تهیه کنیم؟
۱. درصد 15% یعنی در هر 100 گرم محلول، 15 گرم نمک داریم.
۲. جرم نمک مورد نیاز برای 500 گرم محلول: $\frac{15}{100} \times 500 = 75$ گرم.
۳. جرم آب مورد نیاز = جرم کل محلول - جرم نمک = 500 - 75 = 425 گرم.
پاسخ: باید 75 گرم نمک را در 425 گرم آب حل کنیم.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1 محلول جرمی-جرمی (Mass-Mass Solution)
2 غلظت (Concentration)
3 حلشونده (Solute)
4 درصد جرمی (Percent by Mass, Weight Percent)
5 مولاریته (Molarity)
6 استوکیومتری (Stoichiometry)
7 چگالی (Density)
