درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل سوم: محلول و مقدار حل شوندهها
محلول، مخلوطی همگن از دو یا چند ماده است که حالت فیزیکی و ترکیب شیمیایی محلول در سرتاسر آن یکسان و یکنواخت است. محلولها کاربردهای فراوانی در زندگی ما دارند (شکل 7).
آ) هوای پاکی که تنفس میکنیم، محلولی از گازهاست، ب) سرم فیزیولوژی محلول نمک در آب است،
پ) ضد یخ، محلول اتیلن گلیکول در آب است، ت) گلاب مخلوطی همگن از چند مادۀ آلی در آب است.
برخی محلولها مانند سرم فیزیولوژی رقیق و برخی مانند گلاب دو آتشه غلیظ است. هنگامی که گفته میشود، محلولی غلیظ است یعنی مقدار حل شونده(ها) در آن زیاد است (شکل 8).
برای مثال شاید امروز صبح هنگام خوردن صبحانه گفته باشید که چای شیرین من خیلی غلیظ است. این گفته نشان میدهد که یا مقدار شکر موجود در چای شما زیاد بوده یا چای شما بسیار پررنگ بوده است (شکل 9).
مقدار نمکهای حل شده در آب دریاهای گوناگون نیز با هم تفاوت دارد (شکل 10). برای نمونه در هر 100 گرم آب دریای مرده (بحرالمیت)، حدود 27 گرم حل شونده (انواع نمکها) وجود دارد؛ از این رو آب این دریا محلول غلیظی است که انسان میتواند به راحتی روی آن شناور بماند. دریاچۀ ارومیه نیز یکی از دریاچههای شور دنیاست که مقدار نمکهای حل شده در آن بسیار زیاد است. محلول آبی این دریاچه نیز بسیار غلیظ است؛ از این رو دریاچۀ ارومیه منبع غنی از مواد شیمیایی گوناگون به شمار میآید.
آیا میدانید
دریاچۀ ارومیه دومین دریاچۀ شور دنیاست که در هر کیلوگرم از آب آن، بیش از 200 گرم از انواع حل شوندهها وجود دارد. چگالی آب دریاچۀ ارومیه در زمان پر آبی 1/148 گرم بر سانتی متر مکعب و با $pH=7/5$ گزارش شده است.
کاتیونهای موجود در آب این دریاچه به طور عمده شامل $N{{a}^{+}}$، ${{K}^{+}}$، $C{{a}^{2+}}$، $L{{i}^{+}}$ و $M{{g}^{2+}}$ و آنیون های موجود در آن به طور عمده شامل $C{{l}^{-}}$، $S{{O}_{4}}^{2-}$ و $HC{{O}_{3}}^{-}$ است. مقدار $N{{a}^{+}}$ و $C{{l}^{-}}$ در آب دریاچۀ ارومیه حدود چهار برابر آب دریاهای آزاد است. به همین علت آن را میتوان منبعی غنی برای تولید نمک خوراکی دانست. پژوهشها نشان میدهد که متأسفانه این حوزۀ آبی دچار خشکی شده است و اگر این روند ادامه یابد، خسارتهای جبران ناپذیر و ردپای سنگینی بر زیست بوم منطقه برجای خواهد گذاشت.
در درس علوم آموختید که هر محلول از دو جزءِ، حلال و حل شونده تشکیل شده است. در واقع، حلال جزئی از محلول است که حل شونده را در خود حل میکند و شمار مولهای آن بیشتر است. خواص محلولها به خواص حلال، حل شونده و مقدار هر یک از آنها بستگی دارد. بنابراین دانستن اینکه چه مقدار حل شونده در یک محلول وجود دارد، میتواند به درک خواص، رفتار و کاربرد آن محلول کمک کند.
شیمیدانها غلظت یک محلول را مقدار حل شونده در مقدار معینی از حلال یا محلول تعریف میکنند. آنها در آزمایشگاه با محلولهای گوناگونی سر و کار دارند که مقدار حل شونده در آنها در گسترهای از مقدار بسیار کم تا مقدار بسیار زیاد متغیر است. از این رو، غلظت محلولها را به روشهای گوناگون بیان میکنند. در اینجا به بررسی غلظت محلولها به سه روش میپردازیم.
قسمت در میلیون
هرگاه 0/5 گرم مس $(II)$ سولفات را در 99/5 گرم آب حل کنید، محلولی زیبا به رنگ آبی به دست میآید. حال اگر این محلول را با افزودن آب، چندین مرتبه رقیقتر کنیم، محلولی بسیار کم رنگ پدید میآید که گویی رنگ ندارد. ظاهر بیرنگ این محلول نشان میدهد که محلول بسیار رقیق بوده و مقدار حل شونده در آن بسیار کم است (شکل 11).
برای بیان سادهتر غلظت محلولهای بسیار رقیق مانند غلظت کاتیونها و آنیونها در آب معدنی، آب آشامیدنی، آب دریا، بدن جانداران، بافتهای گیاهی و مقدار آلایندههای هوا از کمیتی به نام قسمت در میلیون $(ppm)$ استفاده میشود. این کمیت نشان میدهد که در یک میلیون گرم از محلول، چند گرم حل شونده وجود دارد $ppm$ از رابطۀ زیر به دست میآید:
توجه کنید در این رابطه، یکای جرم در صورت و مخرج کسر باید یکسان باشد.
نمونۀ حل شده
در یک نمونه آب آشامیدنی به جرم 200 گرم، 0/05 میلیگرم یون فلوئورید وجود دارد.
غلظت یون ${{F}^{-}}$ در این نمونه چند $ppm$ است؟
پاسخ:
در میان تارنماها (صفحهٔ 95 کتاب درسی)
با مراجعه به منابع معتبر علمی، درباره اینکه «غلظت یون نیترات $(NO_{3}^{-})$ در آب آشامیدنی باید کمترین مقدار ممکن باشد» اطلاعاتی جمع آوری و به کلاس گزارش کنید.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 96 کتاب درسی)
1- مربی آزمایشگاه پس از قرار دادن بشر روی ترازو، جرم آن را روی صفر تنظیم کرده و سپس با افزودن مقدار معینی پتاسیم کلرید (حل شونده) و آب (حلال)، محلولی تهیه میکند. با توجه به شکلهای زیر به پرسشها پاسخ دهید.
آ) جرم حل شونده، محلول و حلال را تعیین کنید.
جرم محلول برابر 50 گرم و جرم حل شونده 8 گرم است.
جرم حلال $50-8=42g$
ب) برای تهیه 100 گرم از این محلول به چند گرم حل شونده و چند گرم حلال نیاز است؟
از آنجا که جرم محلول دو برابر شده، بنابراین جرم حلال و حل شونده را دو برابر میکنیم.
جرم حلال: $42/00\times 2=84/00g$
جرم حل شونده: $8/00\times 2=16/00g$
پ) غلظت پتاسیم کلرید در این محلول 16 درصد جرمی است. با این توصیف، مفهوم درصد جرمی را توضیح دهید.
در 100 گرم محلول 16 گرم حل شونده وجود دارد.
ت) رابطهای برای محاسبه درصد جرمی محلول بیابید.
ث) بر روی ظرف حاوی محلول شستوشوی دهان عبارت «محلول استریل سدیم کلرید 0/9 درصد» نوشته شده است. معنی این عبارت را توضیح دهید.
در 100 گرم محلول دهان شویه 0/9 گرم سدیم کلرید و 99/1 گرم آب وجود دارد.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 96 کتاب درسی)
1- جدول زیر غلظت برخی یونها در یک نمونه از آب دریا نشان میدهد، جاهای خالی را کامل کنید.
| نام یون | نماد یون | میلیگرم یون در یک کیلوگرم آب دریا | غلظت یون | |
|---|---|---|---|---|
| %W/W | ppm | |||
| یون کلرید | $Cl^-$ | 19000 | $19\times{{10}^{-1}}$ | $19000$ |
| یون سدیم | $Na^+$ | 10500 | $105\times{{10}^{-2}}$ | $10500$ |
| یون سولفات | $SO_{4}^{2-}$ | 2655 | $2655\times{{10}^{-4}}$ | $2655$ |
| یون منیزیم | $Mg^{2+}$ | 1350 | $135\times{{10}^{-3}}$ | $1350$ |
| یون کلسیم | $Ca^{2+}$ | 400 | $4\times{{10}^{-2}}$ | $400$ |
| یون پتاسیم | $K^{+}$ | 380 | $38\times{{10}^{-3}}$ | $380$ |
2- جرم کل آبهای زمین در حدود $1/5\times {{10}^{18}}$ تن است. اگر مقدار نمکهای حل شده در این آبها برابر با 3/5 درصد باشد، حساب کنید چند تن انواع نمک در آنها وجود دارد؟
$3/5=\frac{x\,(ton)}{1/5\times {{10}^{18}}(ton)}\times 100\to x=\frac{3/5\times 1/5\times {{10}^{18}}}{100}=5/25\times {{10}^{16}}\,\,\,(ton)$
3- با توجه به شکل، درصد جرمی قند موجود در هر یک از نوشابههای گازدار را تعیین کنید.
$\frac{108}{1500}\times 100=7/2%$ $\frac{39}{330}\times 100=11/82%$
پیوند با صنعت
دریا یکی از نعمتهای خدادادی است که منبعی سرشار از مواد شیمیایی است. در آب دریا در حدود $5\times {{10}^{16}}$ تن از انواع مواد گوناگون وجود دارد (شکل 12).
مواد شیمیایی موجود در آب دریا را میتوان به روشهای فیزیکی یا شیمیایی از آن جدا کرد. برای نمونه سالانه میلیونها تن سدیم کلرید با روش تبلور از آب دریا جداسازی و استخراج میشود (شکل 13).
نمک خوراکی در زندگی روزانه و صنایع گوناگون کاربردهای فراوانی دارد (نمودار 1).
فلز منیزیم مادۀ ارزشمند دیگری است که در تهیۀ آلیاژها، شربت معده و... کاربرد دارد. یکی از منابع تهیۀ این فلز آب دریاست. با استخراج آن از آب دریا در شیمی (3) آشنا خواهید شد.
آیا میدانید
سالانه 150 میلیون تن نمک خوراکی در جهان و در صنایع گوناگون مصرف میشود. این نمک را از آب دریا یا معادن نمک تهیه میکنند. یکی از مهمترین منابع سدیم کلرید، صحرایی بزرگ از نمک واقع در کشور بولیوی است. این صحرا از تبخیر آب دریاچۀ مینِ چین به جای مانده است. مساحت این صحرا حدود 10250 کیلومتر مربع است. برآورد شده است که در این صحرا، 10000000000 تن نمک وجود دارد که سالانه 25000 تن نمک از آن استخراج میشود.
غلظت مولی (مولار)
غلظت بسیاری از محلولها در صنعت، پزشکی، داروسازی، کشاورزی و زندگی روزانه با درصد جرمی بیان میشود، برای نمونه سرکۀ خوراکی با خاصیت اسیدی ملایم که به عنوان چاشنی در غذاها مصرف میشود، محلول 5 درصد جرمی استیک اسید در آب است. همچنین محلول غلیظ نیتریک اسید در صنعت با غلظت 70 درصد جرمی تولید و بسته به کاربرد آن، به محلولهای رقیقتر تبدیل میشود.
با این توصیف نباید چنین تصور کنیم که تهیۀ محلولها به حالت مایع، با درصد جرمی معین کار آسانی است. تجربه نشان میدهد که اندازه گیری حجم یک مایع به ویژه در آزمایشگاه، آسانتر از جرم آن است (چرا؟).
از سوی دیگر شیمیدانها مقدار ماده را برحسب مول بیان میکنند در واقع مبنای محاسبههای کمّی در شیمی، مول است. اینک چنین به نظر میرسد بیان غلظتی از محلول پرکاربردتر است که با مولهای مادۀ حل شونده و حجم محلول ارتباط داشته باشد. چنین غلظتی را غلظت مولی (مولار) مینامند.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 99 کتاب درسی)
1- شکل زیر دو محلول از یک نوع حل شونده را در آب نشان میدهد. با توجه به آن به پرسشها پاسخ دهید.
آ) کدام کمیت در این محلولها یکسان است؟
حجم محلول (50 میلی لیتر)
ب) کدام کمیت در این محلولها متفاوت است؟
تعداد ذرات حل شونده
پ) اگر هر ذرۀ حل شونده در شکل هم ارز با 0/001 مول باشد، نسبت مولهای حل شونده به حجم محلول (برحسب لیتر) را برای هریک از دو محلول به دست آورید.
$\frac{10\times 0/001}{0/05}=0/2$ $\frac{5\times 0/001}{0/05}=0/1molL-1$
ت) کمیت به دست آمده در قسمت «پ» غلظت مولی نام دارد. آن را در یک سطر تعریف و یکای آن را مشخص کنید.
نسب شمار مولهای حل شونده در یک لیتر محلول را نشان میدهد و واحد آن $mol{{L}^{-1}}$
ث) براساس غلظت مولی محاسبه شده، کدام محلول رقیقتر است؟ چرا؟
محلول 0/1 مول بر لیتر - چون غلظت آن کمتر است یا حل شوندهی کمتری دارد.
2- با توجه به شکل، هریک از جملههای زیر را با خط زدن واژههای نادرست کامل کنید.
آ) با افزودن مقداری (حلال / حل شونده) عکس به یک محلول در حجم ثابت، غلظت محلول (کاهش / افزایش) مییابد.
ب) با افزودن مقداری (حلال/ حل شونده) عکس به محلولی با غلظت معین، غلظت محلول (کاهش / افزایش) مییابد.
نمونۀ حل شده
برای تهیه 250mL محلول پتاسیم یدید 0/2 مول بر لیتر (مولار) به جند مول حل شونده نیاز است؟
پاسخ: روش نخست:
$0/2mol{{L}^{-1}}=\frac{n(KI)}{0/25L}\xrightarrow{{}}n=0/2mol{{L}^{-1}}\times 0/25L=0/05mol$
روش دوم: محلول 0/2 مولار پتاسیم یدید نشان میدهد که در هر لیتر از محلول آن 0/2 مول $KI$ حل شده است که از آن میتوان به عامل تبدیل $\frac{0/2molKI}{1LKI(aq)}$ دست یافت.
از این رو
$?molKI=0/25{LKI(aq)}\times \frac{0/2molKI}{1{LKI(aq)}}=0/05molKI$