Empiriske løsninger i kemi: definition, typer, egenskaber og hverdagseksempler

Opløsninger i kemi er normalt binære, hvilket betyder, at de består af to komponenter, det opløste stof og opløsningsmidlet , hvor den ene er det stof, der skal opløses, og den anden opløsningsmiddelfaktoren.

Baseret på dette kan disse opdeles i to typer, som er standardiserede opløsninger og empiriske opløsninger , hvor sidstnævnte er dem, hvor mængden af opløst stof og opløsningsmiddel, de måtte indeholde, ikke tages i betragtning kvantitativt og præcist.

Normalt er opløste stoffer og opløsningsmidler i empiriske opløsninger relative, fordi disse kan ændre sig med mængderne; hvis vi har en opløsning med de samme mængder af begge elementer, kan et af de to navne tildeles hvert af dem, selvom det stof, der er i den største andel, ifølge konventionen betragtes som opløsningsmidlet.

Hvad er en løsning?

For fuldt ud at forstå udtrykket " empiriske løsninger" er det nødvendigt at vide, hvad en opløsning er. I kemi defineres en opløsning som en homogen blanding , typisk sammensat af partikler mindre end 10 atomer eller relativt små molekyler. Disse opløsninger består normalt af to hovedstoffer: opløste stoffer og opløsningsmidler.

En homogen blanding er en blanding, hvor dens komponenter er ensartet fordelt på mikroskopisk niveau, så faserne ikke kan skelnes med det blotte øje. Typiske eksempler er saltvand, en kulsyreholdig drik eller den luft, vi indånder (en blanding af flere gasser).

Opløsninger

Opløste stoffer er de stoffer, der opløses i en blanding, fordi de er til stede i en mindre mængde sammenlignet med opløsningsmidlet. Et opløst stof kan være et fast stof, en væske eller en gas, så længe det kan dispergeres ensartet i opløsningsmidlet. Et almindeligt eksempel er sukker, der opløses i vand.

Opløsningsmidler

Opløsningsmidler er stoffer, der opløser opløste stoffer; de er til stede i større mængder end selve det opløste stof. Opløsningsmidlet danner det medium, hvori de opløste partikler dispergeres. Vand er det mest almindelige opløsningsmiddel i hverdagen og er kendt som det universelle opløsningsmiddel på grund af dets evne til at opløse en bred vifte af stoffer.

Opløsninger er opdelt i to hovedtyper: dem, hvor den nøjagtige mængde opløst stof og opløsningsmiddel i en blanding kan bestemmes, som kaldes standardopløsninger ; og der er også empiriske opløsninger , som er dem, der ikke tillader præcis bestemmelse af mængden af disse komponenter, fordi formelle målemetoder ikke følges.

Hvad er en empirisk løsning?

Empiriske opløsninger er blandinger, hvor den nøjagtige mængde opløst stof og opløsningsmiddel ikke kan bestemmes gennem kvantitative beregninger eller laboratorieinstrumenter. I disse opløsninger fastlægges forholdet mellem de to kvalitativt og baseret på erfaring eller personlig vurdering, uden at man må ty til koncentrationsenheder som molaritet, normalitet eller procent.

I en empirisk løsning kan forskellige aggregeringstilstande være involveret: faste stoffer kan separeres eller kombineres i væsker , væsker i væsker , gasser i væsker og gasser i gasser , hvor stoffet med det største volumen generelt fungerer som et opløsningsmiddel og opløser det, der findes i en mindre andel.

Ordet "empirisk" henviser til det faktum, at disse opløsninger er et produkt af den praksis og erfaring , som den person, der tilbereder dem, har. De er også kendt som kvalitative opløsninger, fordi beskrivelsen er lavet i termer som "en lille mængde", "meget", "en knivspids" eller "en skefuld", uden at udtrykke nøjagtige masser, mol eller volumener.

Opløsningstiderne varierer afhængigt af faktorer som temperatur , tryk og det opløste stofs art . I tilfælde af gasformige opløsninger bestemmer disse faktorer i høj grad gassens evne til at opløses i opløsningsmidlet, hvilket potentielt øger viskositeten eller tykkelsen, når mængden af gasformigt opløst stof er betydelig.

Det er vigtigt at bemærke, at empiriske løsninger er almindelige i hverdagssammenhænge, såsom i hjem, restauranter, barer og køkkener . Enhver kan tilberede dem uden specialiseret uddannelse i kemi eller brug af måleinstrumenter. For eksempel er tilberedning af juice, en cocktail eller en latte ofte empiriske processer: mere eller mindre tilsættes efter personlig smag.

Der er fem typer empiriske opløsninger, klassificeret efter opløsningsmidlets og det opløste stofs egenskaber: fortyndede , koncentrerede , mættede , umættede og overmættede . Denne klassificering er baseret på opløselighed og mængden af opløst stof, der tilsættes opløsningsmidlet, selvom nøjagtige tal ikke anvendes i empiriske sammenhænge.

Hvis en blanding indeholder begge stoffer som flydende komponenter, mister de deres identitet som de oprindelige materialer, og den eneste måde at skelne dem på er ved mængden af dem i blandingen. Dette er meget almindeligt i tilberedningen af cocktails, olieblandinger eller flydende saucer.

Karakteristika for empiriske løsninger

Blandt de mest relevante karakteristika ved empiriske løsninger kan følgende nævnes:

De tilberedes normalt i uformelle rammer såsom hjem, barer, caféer, spisestuer eller industrikøkkener, snarere end i forskningslaboratorier.
De kan laves af enhver person, uden behov for specifik uddannelse i kemi eller erfaring i brugen af volumetriske materialer eller vægte.
De er lavet til at opfylde praktiske behov som f.eks. mad, smag, tekstur eller udseende af fødevarer og drikkevarer, snarere end til præcise analytiske eller industrielle formål.
Overvejende personlig smag, personlig vurdering og erfaring: mere eller mindre opløst stof tilsættes afhængigt af den ønskede smag, farve, lugt eller konsistens.
Der følges ingen vejemetoder, og de udføres heller ikke støkiometriske beregningerInstrumentelt udstyr såsom pH-metre eller buretter anvendes heller ikke til fremstillingen.
De bruges generelt ikke volumetriske materialer kalibreret; i stedet bruges skeer, glas, kander, kopper, "knib" med fingrene eller enhver anden almindelig beholder.
I rutine- og forskningslaboratorier er dens anvendelse sjældenfordi der kræves standardiserede opløsninger med kendte koncentrationer for at opnå reproducerbare resultater.
De mest almindelige empiriske løsninger er normalt faste opløste stoffer opløst i væsker (som sukker i vand) eller blandinger væske-væske (for eksempel forskellige likører i en cocktail).

Typer af empiriske løsninger

Disse typer er opdelt efter stoffernes modstandsdygtighed over for opløsning og frem for alt mængden af opløst stof, der er til stede i blandingen, altid ud fra et kvalitativt perspektiv. Hovedkategorierne omfatter følgende.

Fortynd løsninger

Det er opløsninger, hvor mængden af opløsningsmiddel er langt større end mængden af opløst stof, hvilket resulterer i en relativt lille andel af opløst stof. De er også kendt som svage opløsninger på grund af den lille mængde opløst stof. Et eksempel på dette ville være at tilsætte en skefuld sukker til varm kaffe, som vil opløses ekstremt hurtigt takket være mængden af opløsningsmiddel.

I den empiriske tilgang genkendes en fortyndet opløsning ved karakteristika som en mild smag , lys farve eller lav tilsyneladende densitet . For eksempel opfattes en juice fremstillet med meget lidt frugtkoncentrat og meget vand som let og ikke særlig sød.

Koncentrerede løsninger

Dette er opløsninger, der indeholder en stor mængde opløst stof sammenlignet med mængden af opløsningsmiddel i blandingen. Dette kan også fortolkes som den maksimale mængde af stoffet, der opløses i den mængde opløsningsmiddel, som den person, der tilbereder det, finder passende. Et eksempel på dette ville være, når 10 gram salt placeres i ½ liter vand, eller når en stor mængde sukker tilsættes limonade, indtil den bliver meget sød.

Det er vigtigt at bemærke, at der ikke er nogen præcis grænse mellem fortyndede og koncentrerede opløsninger empirisk set; sondringen foretages efter kvalitative kriterier, såsom smag, farve, viskositet eller opfattet densitet. Én person kan betragte en drik som koncentreret, mens en anden opfatter den som acceptabelt sød.

Umættede løsninger

Disse opløsninger er karakteriseret ved at have en koncentration af opløst stof, der er lavere end den maksimale mængde, som opløsningsmidlet kan opløse under specifikke temperatur- og trykforhold. Med andre ord er det stadig muligt at opløse mere opløst stof uden at der dannes et bundfald. Empirisk set er disse opløsninger, hvor det, hvis der tilsættes mere opløst stof, fortsætter med at opløses uden problemer. Et eksempel ville være 30 gram salt i 2 liter vand.

Mættede løsninger

Mættede opløsninger er det stik modsatte af umættede opløsninger, da de indeholder den maksimale mængde opløst stof , som opløsningen kan indeholde under specifikke tryk- og temperaturforhold. Når en opløsning bliver mættet, opløses der ikke mere opløst stof , hvilket skaber en dynamisk ligevægt mellem det opløste og uopløste stof. I praktiske, empiriske observationer bemærkes det, at uanset hvor meget opløsningen omrøres, forbliver noget af det opløste stof i bunden af beholderen.

Overmættede løsninger

Disse opløsninger indeholder endnu mere opløst stof end mættede opløsninger under de samme betingelser. De opnås generelt ved at øge temperaturen af opløsningsmidlet, så det kan opløse mere opløst stof end normalt, og derefter afkøle blandingen uden at forstyrre den. Den eneste måde at holde det overskydende opløste stof opløst på er at opretholde de opnåede betingelser; ved afkøling eller andre ændringer kan meget af det opløste stof vende tilbage til sin oprindelige tilstand og krystallisere.

Overmættede opløsninger er ustabile , og ved det mindste stød eller pludselig bevægelse, eller ved indføring af en opløst krystal, bliver de hurtigt mættede opløsninger, hvor det overskydende opløste stof udfældes. Dette fænomen er meget illustrativt i laboratorieforsøg og i produktionen af slik og krystalliseret slik.

Opløsningsegenskaber

Opløsninger har mange egenskaber, men en af de vigtigste er opløselighed , som er den mængde opløst stof, der ved en given temperatur kan opløses i et opløsningsmiddel, indtil ligevægt er nået. Hver forbindelse har sit eget opløselighedsniveau, som afhænger af faktorer som dens kemiske natur og opløsningsmidlets.

I forbindelse med opløsninger er der også andre egenskaber forbundet med både det opløste stof og opløsningsmidlet. For det opløste stof omfatter disse elektrisk ledningsevne (i tilfælde af elektrolytter), damptryk og effekten på opløsningens fryse- eller kogepunkt. For opløsningsmidlet studeres egenskaber som kogepunkt , smeltepunkt og dielektricitetskonstant.

Mikroskopisk set skal der, for at en homogen opløsning kan dannes, være en vis tiltrækning mellem det opløste stof og opløsningsmiddelmolekylerne, der overvinder de tiltrækkende kræfter mellem de opløste molekyler alene. Dette får de opløste stofpartikler til at spredes og til gengæld binde sig til opløsningsmiddelpartiklerne, hvilket skaber et ensartet system.

Et klassisk eksempel er vand og sukker. Når du putter en skefuld sukker i et glas vand, vil det opløses, fordi vandmolekylerne er stærke nok til at interagere med sukkermolekylerne , nedbryde sukkerets krystallinske struktur og omgive hver opløst partikel. Resultatet er en ensartet væske, hvor sukkerkrystaller ikke længere er synlige for det blotte øje.

Den måde, hvorpå mange empiriske opløsninger fremstilles (omrøring, opvarmning, formaling af det opløste stof) påvirker også opløsningshastigheden . Formaling af et fast opløst stof til fine partikler eller hævning af opløsningsmiddeltemperaturen accelererer normalt processen, selv når der ikke foretages kvantitative målinger.

Hvordan udarbejdes empiriske løsninger?

Ved fremstilling af empiriske opløsninger er det personlige præferencer og praktiske krav, der er afgørende . Mængden af opløst stof og mængden af opløsningsmiddel afhænger af den persons vurdering, der forbereder blandingen, uden at der anvendes nøjagtige vejninger eller præcise volumetriske målinger.

I disse typer løsninger findes der ikke formelle måleenheder . I stedet for gram eller milliliter anvendes udtryk som "en teskefuld salt", "en sjat mælk", "en knivspids sukker" eller "to fingre spiritus", som tydeligvis er empiriske, fordi de ikke udtrykker koncentrationen i form af den nøjagtige masse eller antallet af tilstedeværende mol.

Materialerne, der bruges til at forberede empiriske opløsninger, er lige så uformelle: skeer, kopper, glas, kander, håndfulde eller totter taget med fingrene. Disse beholdere mangler en kalibreret volumenindikator, så to personer kan forberede forskellige blandinger, selv ved at bruge det samme tilsyneladende "mål".

Trods denne mangel på præcision opnår mange mennesker bemærkelsesværdig empirisk reproducerbarhed gennem praksis: de kan for eksempel tilberede den samme type kaffe eller den samme cocktail med en meget lignende smag ved adskillige lejligheder, udelukkende baseret på sensorisk oplevelse.

Hverdagseksempler på empiriske løsninger

Empiriske løsninger er en konstant tilstedeværelse i hverdagen. Nogle yderligere eksempler, ud over dem der præsenteres senere, er:

CocktailforberedelseSelvom mængder af spiritus og andre ingredienser er angivet, varierer de i praksis normalt afhængigt af smagen hos den person, der tilbereder drinken, eller spisende gæst.
At lave kager og wienerbrødBland æg, mel, mælk, sukker og olie i mængder, der ofte justeres undervejs for at opnå den ønskede tekstur.
Saucer og gryderetterMængden af salt, krydderier, bouillon eller vand justeres efter den ønskede smag, uden vejning eller nøjagtige målinger.
Juice og smoothiesAndelen af frugtkød, vand, mælk eller is ændres for at gøre dem tykkere, lettere, sødere eller mere syrlige.
Infusioner og teTilsæt "en skefuld" eller "en håndfuld" urter til varmt vand, men mængden varierer fra person til person.

8 eksempler, der hjælper med at bestemme empiriske løsninger

Når man forbereder en kaffe med mælkKaffen, som er et fast stof (enten hele bønner eller formalet, som derefter ekstraheres), ses som det opløste stof, og mælken som opløsningsmidlet, som er en væske. Afhængigt af hvor meget mælk eller kaffe der tilsættes, vil blandingen være lysere eller mørkere, uden at det nøjagtige forhold måles.
Chokolade og vandChokoladen (pulveriseret eller smeltet) er det opløste stof, og vandet er opløsningsmidlet. Smagsintensiteten afhænger af, hvor meget chokolade der er opløst, et tydeligt eksempel på en empirisk opløsning.
Når den udsættes for en opløsning vand og luftDer opnås tåge eller dis: små vanddråber spredt i luften danner et system, hvor gassen fungerer som et dispersionsmedium.
Maling og fortynderFor at gøre oliemaling nemmere at bruge, skal den fortyndes med fortynder, det opløsningsmiddel, der bruges til dette formål. Mængden af tilsat fortynder afhænger af den ønskede konsistens; der er ingen præcis måling.
sæbevandI denne opløsning er vand opløsningsmidlet, og sæbe er et opløst stof. Dette kan også tjene som et eksempel på en umættet eller koncentreret opløsning, afhængigt af hvor meget sæbe der tilsættes.
Kaffe med vandNår man tilbereder filtreret eller instantkaffe med vand, genereres der en anden empirisk opløsning, hvor vandet fungerer som opløsningsmiddel, og mængden af kaffe justeres efter smag.
SukkervandSukkeret er det stof, der skal opløses, og vandet er opløsningsmidlet. Blandingens sødme afhænger af den mængde, der tilsættes empirisk.
Vand med kunstige safterDisse drikkevarer er dehydrerede produkter, der fungerer som en slags smagsat sukker. De fungerer på samme måde som i det foregående eksempel, idet mængden af pulver justeres "efter øjet" for at opnå den ønskede smag.

Hele dette sæt af eksempler viser, hvordan der i hverdagen konstant udarbejdes empiriske løsninger, hvor nøjagtige tal eller koncentrationer ikke håndteres, men egenskaberne opløselighed, smag, farve og konsistens intuitivt udnyttes.