محلول هيدروكسيد الصوديوم (Sodium Hydroxide) بتركيز 0.1 عياري (N/10)

التعبير عن التركيز في المحلول

يتكون المحلول من مادة مذابة ومذيب (Solvent). المذاب هو المادة الذائبة، والمذيب هو المادة التي يذوب فيها المذاب. يمكن أن يكون المذاب صلباً أو سائلاً. في محلول NaOH، يكون هيدروكسيد الصوديوم (Sodium Hydroxide) (الصلب) هو المذاب والماء (السائل) هو المذيب. لاحظ أن المذاب لكونه مادة صلبة يُقاس بالوزن (بالجرام) ويُقاس مذيب الماء بالحجم. هذا مثال على التعبير عن المحلول على أساس الوزن لكل حجم (w/v).

في المحلول المكون من سائلين، يُعبَّر عن التركيز على أساس الحجم لكل حجم. على سبيل المثال، يُعبَّر عن تركيز الكحول في النبيذ على أنه حجم لكل حجم. نبيذ يحتوي على كحول بنسبة 12% يعني أنه يحتوي على 12 مل من الكحول لكل 100 مل من النبيذ.

بشكل عام، في العديد من المحاليل، يُعطى الوزن بالجرام ويُعطى الحجم بالمليلتر أو اللتر. عند هذه النقطة، من المهم تحديد العلاقة بين وحدات الوزن والحجم. واحد كيلوجرام (وزناً) من الماء عند درجة حرارة الكثافة القصوى وتحت الضغط الجوي الطبيعي يكون حجمه واحد لتر. هذا يعني أن واحداً كيلوجرام (وزناً) من الماء يساوي حجماً قدره 1 لتر، وواحداً جراماً من الماء وزناً يساوي 1 مل من الماء حجماً. وبالتالي فإن وحدات الوزن (جرام) والحجم (مل) متشابهة وقابلة للتبادل.

يُعبّر الكيميائي عن تركيز المحلول بطرق مختلفة. تشمل التعبيرات الشائعة النسبة المئوية، والأجزاء في المليون (ppm)، والمولاري والنورمالي (العياري). من المهم الحصول على فهم واضح لهذه المصطلحات.

النسبة المئوية

النسبة المئوية هي أحد أبسط أشكال التركيز. وهذا يعني ببساطة وحدات لكل 100 وحدة، أو أجزاء لكل 100 جزء. يمكن استخدام تركيز النسبة المئوية بثلاث طرق؛ إما على أساس الوزن لكل وزن، أو الحجم لكل حجم، أو الوزن لكل حجم.

عندما يستخدم صانعو النبيذ مقياس الكثافة بكس °Brix لقياس السكريات في عصير العنب، فإنهم يقيسون بشكل أساسي جرامات السكر لكل 100 جرام من العصير. عينة عصير تبلغ 18 °Brix تعني 18 جراماً من السكر لكل 100 جرام من العصير أو ما يُشار إليه عادةً بنسبة 18%. عند وصف محتوى الكحول في النبيذ، يُعبَّر عن النسبة المئوية لمحتوى الكحول على أساس الحجم لكل حجم. وفي كثير من الحالات، بما في ذلك في المختبر، يتم تحضير المحلول عن طريق إذابة مادة صلبة في سائل، وعادةً ما يكون الماء. وفي مثل هذه الحالة، يُعبَّر عن التركيز على أساس الوزن لكل حجم.

جزء في المليون

عند التعامل مع كمية صغيرة جداً من مادة في محلول، غالباً ما يُعبَّر عن التركيز بوحدة جزء في المليون. تركيز 20 ppm يعني 20 جزءاً من المذاب مذاباً في كل 1,000,000 جزء من المحلول. يمكن أن تكون وحدة القياس وزناً أو حجماً. وبشكل عام، يُستخدم تركيز ppm للإشارة إلى مليجرامات المذاب لكل لتر من المحلول.

المحلول المولاري

يعني المحلول المولاري التركيز من حيث مول/لتر. محلول 1 مولاري (1 M) يعني مولاً واحداً من المادة (المذاب) لكل لتر من المحلول. والمول يعني الوزن الجزيئي الجرامي أو الوزن الجزيئي للمادة بالجرام. لذا فإن الوزن الجزيئي للمادة الكيميائية هو أيضاً وزنها المولاري. ولحساب الوزن الجزيئي، يحتاج المرء إلى جمع الأوزان الذرية لجميع الذرات في وحدة الصيغة الجزيئية. على سبيل المثال، يتكون جزيء NaOH من ذرة واحدة لكل من الصوديوم (Na)، والأكسجين (0)، والهيدروجين (H). أوزانها الذرية المقابلة هي: Na - 23,0 - 16 وH - 1، وبالتالي فإن الوزن الجزيئي هو 23 + 16 + 1 = 40. وبالتالي فإن 40 جراماً من NaOH تساوي مولاً واحداً من NaOH، وسيحتوي محلول 1 مولاري من NaOH على 40 جراماً من مادة NaOH الكيميائية.

المحلول العياري/العيارية (النورمالية)

الشكل الآخر للتركيز المستخدم بشكل متكرر نسبياً هو النورمالية (Normality)، أو N. يُعبَّر عن النورمالية بمكافئات لكل لتر، وهو ما يعني عدد الأوزان المكافئة للمذاب لكل لتر من المحلول. غالباً ما يُستخدم مصطلح النورمالية في كيمياء الأحماض والقواعد. يُعرَّف الوزن المكافئ للحمض بأنه الوزن الجزيئي مقسوماً على عدد ذرات الهيدروجين المتفاعلة لجزيء واحد من الحمض في التفاعل.

يتطلب فهم المكافئات معرفة شيء ما حول كيفية عمل التفاعل، لذلك دعونا نبدأ من هناك. فيما يلي معادلة أساسية لحمض وقاعدة. 

                            HCI + NaOH ------> NaCl + H20 
                                                    أو 
                            حمض + قاعدة -------> ملح + ماء

في معادلتنا البسيطة أعلاه، يمكنك أن ترى أن لدينا الحمض والقاعدة يتفاعلان لتكوين ملح وماء، وأنهما يتفاعلان بالتساوي. يعطي الحمض 1 H+ مقابل كل OH- تعطيه القاعدة. لذلك لكل مول من H+ يحتاج المرء إلى مول من

OH-. هذا التفاعل هو تفاعل واحد إلى واحد على أساس مولاري. يحتوي مول واحد من الحمض على وحدة تفاعل واحدة، ويحتوي مول واحد من القاعدة أيضاً على وحدة تفاعل واحدة، وبالتالي فإن كلاً من الحمض والقاعدة لديه، في المثال أعلاه، وحدات تفاعل متساوية بنسبة 1:1. كما هو موضح أعلاه، بالنسبة للأحماض، نحدد الوزن المكافئ على أنه الوزن الجزيئي مقسوماً على عدد H+ الممنوحة لكل جزيء. أعلاه، منح HCI بروتوناً واحداً 1 H+ للتفاعل. 

 

        الوزن الجزيئي لـ H2SO4 = 98.08 جم = 49.04 جرام لكل مكافئ 
        عدد البروتونات الممنوحة                 2 بروتون

 

النورمالية هي الوزن الجزيئي مقسوماً على الجرامات لكل مكافئ (كل هذا ينتج عنه عدد المكافئات) في حجم معين. للحصول على محلول 1 N نحتاج إلى 1 مكافئ/لتر. بالنسبة لحمض الهيدروكلوريك (Hydrochloric Acid) (HCl)، فإن الوزن المكافئ هو 36.46 جرام. لذلك، لتحضير محلول 1 عياري (1 Normal)، يلزم 36.46 جم/لتر من HC1. لاحظ أن محلول 1 M هو أيضاً 36.46 جم/لتر. بالنسبة للجزيئات التي يمكنها منح أو قبول بروتون واحد فقط لكل جزيء، فإن النورمالية تساوي المولارية.

الجدول 1. الأوزان الجزيئية والمكافئة لبعض المركبات الشائعة.

الاسم الكيميائي	الصيغة	الوزن الجزيئي جم/مول	الوزن المكافئ جم/مكافئ
حمض الهيدروكلوريك (Hydrochloric Acid)	HCI	36.46	36.46
حمض النيتريك (Nitric Acid)	HNO3	63.01	63.01
حمض الكبريتيك (Sulfuric Acid)	H2SO4	98.08	49.04
حمض الفوسفوريك (Phosphoric Acid)	H3PO4	98.00	32.67
حمض الطرطريك (Tartaric Acid)	C4H6O6	150.09	75.05
حمض الماليك (Malic Acid)	C4H6O5	134.09	67.05
حمض الستريك (Citric Acid)	C6H6O7	192.12	64.04
حمض اللاكتيك (Lactic Acid)	C3H6O3	90.08	90.08
حمض الأسيتيك (Acetic Acid)	C2H4O2	60.05	60.05
الماء (Water)	H2O	18.02	18.02
هيدروكسيد الصوديوم (Sodium Hydroxide)	NaOH	40.00	40.00
هيدروكسيد البوتاسيوم (Potassium Hydroxide)	KOH	56.11	56.11

 

 

في الحالة التي يمكن فيها للجزيء منح أو قبول أكثر من بروتون واحد، تحتاج إلى ضبط حساباتك. على سبيل المثال، حمض الكبريتيك بصيغة H2SO4 يمنح بروتونين منفصلين 2. باستخدام الكتلة المولية لحمض الكبريتيك، ومعرفة أن الجزيء الواحد يمكنه منح بروتونين 2، يمكننا إيجاد الوزن المكافئ.

بكتلة مولية تبلغ 98.08 جرام، فإن المحلول الذي يحتوي على 98.08 جم في 1 لتر سيكون له مولارية قدرها 1 M ونورمالية قدرها 2 N. وذلك لأن كل 1 مول من حمض الكبريتيك (H2SO4) يحتوي على 2 مول من ذرات H+.

يوضح الجدول 1 الأوزان الجزيئية والأوزان المكافئة للأحماض والقواعد المهمة المستخدمة في مختبر النبيذ.

تحضير محلول 1 N من NaOH

من المناقشة أعلاه، ينبغي أن يكون واضحاً أنه لتحضير محلول 1 عياري (1 Normal) نحتاج إلى معرفة مكافئ NaOH، والذي يُحسب بقسمة الوزن الجزيئي على 1، أي 40 مقسوماً على 1 = 40. إذن الوزن المكافئ لـ NaOH هو 40. لتحضير محلول 1 N، قم بإذابة 40.00 جم من هيدروكسيد الصوديوم في الماء ليكون الحجم 1 لتر. لتحضير محلول 0.1 N (المستخدم لتحليل النبيذ)، يلزم 4.00 جم من NaOH لكل لتر.

المعايرة القياسية

قبل أن نبدأ في معايرة عينة النبيذ تلك، لدينا خطوة مهمة أخرى، وهي المعايرة القياسية لمحلول NaOH. المعايرة القياسية هي ببساطة طريقة للتحقق من عملنا وتحديد التركيز الدقيق لكاشف NaOH (أو غيره). ربما كان التخفيف لدينا غير دقيق، أو ربما لم يتم معايرة الميزان، ونتيجة لذلك فإن نورمالية محلول هيدروكسيد الصوديوم لدينا ليست 1 N بالضبط كما أردنا. لذلك نحن بحاجة للتحقق منها. ويتحقق ذلك من خلال معايرة محلول NaOH بحمض ذي قوة معروفة (نورمالية). بشكل عام، يُستخدم 0.1 N HCI لمعايرة القاعدة. يتم شراء الكاشف، وهو محلول 0.1 N HCI، من مورد مواد كيميائية معتمد في التركيز. هذا يعني أنه تم ضبطه قياسياً مقابل قاعدة ذات تركيز معروف. قد تسأل: "ولكن أليس هذا دوران في حلقات مفرغة؟". لا، لأن الأحماض يتم ضبطها قياسياً مقابل قاعدة مسحوقة تسمى KHP، أو فثالات هيدروجين البوتاسيوم. يمكن وزن هذا بدقة شديدة لأنه مسحوق ناعم، ثم تتم معايرته بالحمض.

لمعايرة NaOH، ابدأ بسحب 10.0 مل من حمض الهيدروكلوريك (Hydrochloric Acid) (HC1) بتركيز 0.1 N بواسطة ماصة وضعها في دورق. أضف حوالي 50 مل من الماء (تذكر، ليس ماء الصنبور) وثلاث قطرات من كاشف أحمر الميثيل. املأ سحاحة سعة 25 مل بمحلول هيدروكسيد الصوديوم (Sodium Hydroxide) بتركيز 0.1 N وسجل الحجم الأولي. عاير حمض الهيدروكلوريك حتى النقطة التي يظهر فيها لون أصفر ليموني ويبقى ثابتاً. سجل الحجم النهائي.

اطرح الحجم الأولي من النهائي للحصول على حجم NaOH المستخدم، وعوض ذلك في المعادلة أدناه. 

                عيارية NaOH = حجم HCI x عيارية HCI 
                                        حجم NaOH المستخدم

تقنيات المعايرة

قبل إتقان التحليل الحجمي تماماً، نحتاج إلى مناقشة بعض تقنيات المعايرة. أولاً وقبل كل شيء، تعامل مع السحاحة بعناية. تجنب إتلاف الطرف ومجموعة الصنبور لأن الضرر والتسريبات في هذه المناطق يمكن أن تغير الأداء وستغيره بالفعل. أيضاً، تأكد دائماً من تسجيل قراءات الحجم النهائي والأولي بدقة من خلال قراءة أسفل الهلالة لمستوى المحلول. لا تحاول حشر تلك العينة الأخيرة وتفريغ السحاحة بعد أدنى علامة لها؛ خذ الوقت الكافي لإعادة ملئها بشكل صحيح. للمساعدة في قراءة السحاحة، خذ بطاقة فهرسة بيضاء ولون مربعاً أسود عليها كما هو موضح. ضع هذه البطاقة خلف مقياس السحاحة عند أخذ القراءات للمساعدة في رؤية الهلالة. تأتي بعض السحاحات في الواقع مع خط ملون مطلي عليها لهذا السبب.

بعد ذلك، تذكر تحريك عينتك أثناء المعايرة. سواء كنت تستخدم لوح تحريك (موصى به) أو التحريك عن طريق تدوير الدورق يدوياً، فمن الضروري خلط المحلول. تأكد من عدم تناثر العينة خارج الدورق/الكأس ولا تسمح لمحتويات السحاحة بالسقوط خارج الكأس. أيضاً، اخفض سحاحتك بدرجة كافية حتى لا يخرج الرذاذ من العينة خارج الدورق أثناء المعايرة. هذه ليست ممارسة مخبرية سيئة فحسب، بل يمكن أن تكون خطيرة أيضاً.

السلامة هي اعتبار مهم عند العمل مع السحاحات والأحماض والقواعد. أدرك أنك تتعامل مع مواد كيميائية مسببة للتآكل وأواني زجاجية رقيقة، تعامل معها مثل نبيذ لا يمكن تعويضه في أرق كأس. هذا يعني بتأنٍ واحترام. ارتدِ نظارات السلامة ومعطف المختبر على الأقل، ويوصى أيضاً بالقفازات. عند ملء السحاحة، أخرجها من الحامل وامسكها بزاوية مع وجود الطرف فوق الحوض. بهذه الطريقة، سيتم تصريف أي انسكابات في الحوض ويمكنك الوقوف بأمان على الأرض، وليس على كرسي صغير. الانحناء فوق السحاحة أثناء وجودها على طاولة المختبر أمر خطير.

تأكد من إمكانية الوصول إلى محطة غسيل العيون أو أي شيء يمكن أن يوفر تدفقاً من الماء لجسمك و/أو عينيك لمدة 15 دقيقة، وهو العلاج الموصى به من OSHA لانسكابات المواد الكيميائية على العينين والجسم. تذكر أنه سيكون لديك هيدروكسيد الصوديوم في السحاحة عند مستوى العين وفوقه، لذا تأكد من تثبيت معداتك على قاعدة ثابتة.

يمكن أن تساعدك الممارسات المخبرية الجيدة في مراقبة جودة منتجاتك بشكل أكثر دقة وكفاءة. التحليل الحجمي بالمعايرة هو أحد أكثر التقنيات شيوعاً التي يستخدمها المصنع لتحليل منتجه. إن تحسين مهاراتك في هذا المجال أمر مهم في السعي للحصول على منتجات ممتازة على أساس ثابت.