கரைசல்களின் செறிவு

முழுமையான பார்வை — செறிவு (concentration) ஏன் முக்கியம்?

ஒரு கரைபொருள் (solute) ஒரு கரைப்பானில் (solvent) கரைந்து உருவாகும் ஏகவினக் கலவையே கரைசல் (solution) எனப்படும். ஒரு கரைசலில் எவ்வளவு கரைபொருள் கரைந்திருக்கிறது என்பதை அளவிட்டுக் கூறுவதற்குப் பயன்படுத்தப்படும் கணியமே செறிவு ஆகும். ஒரே கரைபொருள் கொண்ட இரண்டு கரைசல்களும் வெவ்வேறு செறிவைக் கொண்டிருக்கலாம்; ஆகவே ஒரு கரைசலை வெறுமனே பெயரால் அழைப்பது போதாது, அதன் செறிவையும் குறிப்பிட வேண்டியது அவசியமாகும்.

செறிவு ஏன் இரசாயனவியலில் (chemistry) மையக் கருத்தாக அமைகின்றது என்றால், ஒரு இரசாயனத் தாக்கத்தில் பங்கேற்கும் பொருட்களின் அளவை மூல் (mole) எண்ணிக்கையில் அறிய வேண்டியுள்ளது; ஆனால் ஆய்வுகூடத்தில் நாம் அளப்பது கனவளவையே. செறிவு தெரிந்தால், ஒரு கனவளவுக் கரைசலை எடுத்தவுடன் அதில் எத்தனை மூல் கரைபொருள் உள்ளது என்பதை உடனடியாகக் கணிக்க முடியும். ஆதலின் செறிவு கனவளவையும் மூல் எண்ணிக்கையையும் இணைக்கும் பாலமாகச் செயற்படுகின்றது.

செறிவை வெளிப்படுத்த பல்வேறு வழிகள் உள்ளன. அவற்றுள் மூலர்த்திறன் (molarity), மூலற்றிறன் (molality), மூல் பின்னம் (mole fraction), திணிவுச் சதவீதம், கனவளவுச் சதவீதம், மில்லியனில் ஒரு பகுதி (ppm) என்பன முக்கியமானவை. ஒவ்வொரு வழியும் ஒரு குறிப்பிட்ட சந்தர்ப்பத்திற்குப் பொருத்தமானது; எனவே அவற்றுக்கிடையிலான வேறுபாட்டையும், அலகுகளையும் தெளிவாக விளங்கிக் கொள்வது அவசியமாகும்.

1. மூலர்த்திறன் (molarity)

கரைசலின் கனவளவை அளப்பது அதன் திணிவை அளப்பதிலும் வசதியானது. ஆகவே ஒரு தரப்பட்ட கனவளவுக் கரைசலில் உள்ள கரைபொருள் மூல் அளவை வைத்துச் செறிவைக் கூறும் முறையே அதிகம் பயன்படுத்தப்படுகின்றது. ஒரு கனடெசிமீற்றர் (dm³) கனவளவுக் கரைசலில் உள்ள கரைபொருள் மூல் எண்ணிக்கையே மூலர்த்திறன் ஆகும். இதன் அலகு mol dm⁻³ ஆகும்.

மூலர்த்திறன் = கரைபொருள் மூல் எண்ணிக்கை ÷ கரைசலின் கனவளவு (dm³)
1 dm³ = 1 L = 1000 cm³

இங்கு அலகு மாற்றத்தில் மிகுந்த கவனம் தேவை. ஆய்வுகூட வினாக்களில் கனவளவு பெரும்பாலும் cm³ இல் தரப்படும்; ஆனால் மூலர்த்திறனின் அலகு mol dm⁻³ ஆதலின், கணிப்பதற்கு முன் கனவளவை 1000 ஆல் வகுத்து dm³ ஆக மாற்ற வேண்டும். இந்தச் சிறிய மாற்றத்தை மறந்தால் விடை 1000 மடங்கு பிழைபடும்.

பகுப்பு 1 — 5.85 g சோடியம் குளோரைட்டை (NaCl) நீரில் கரைத்து 500 cm³ கரைசல் தயாரிக்கப்படுகின்றது. கரைசலின் மூலர்த்திறனைக் கணிக்குக. அணுத்திணிவுகள் Na = 23, Cl = 35.5.

NaCl இன் மூலர் திணிவு = 23 + 35.5 = 58.5 g mol⁻¹

கரைபொருள் மூல் எண்ணிக்கை, n = திணிவு ÷ மூலர் திணிவு = 5.85 ÷ 58.5 = 0.10 mol

கனவளவை dm³ ஆக மாற்றல்: V = 500 ÷ 1000 = 0.50 dm³

மூலர்த்திறன் = n ÷ V = 0.10 ÷ 0.50 = 0.20 mol dm⁻³

பகுப்பு 2 — "மாஸ்டர்" கணக்கு — ஓர் அயனியச் சேர்வையின் w/v% உம் மூலர்த்திறனும், அதன் தனி அயன்களின் செறிவுகளும்: 10 g கல்சியம் புரோமைட்டு (CaBr₂) நீரில் கரைக்கப்பட்டு 75 cm³ கரைசல் தயாரிக்கப்படுகின்றது (Ca = 40, Br = 80). காண்க: (1) CaBr₂ இன் w/v%; (2) Ca²⁺ இன் w/v%; (3) Br⁻ இன் w/v%; (4) CaBr₂ இன் மூலர்த்திறன்; (5) [Ca²⁺]; (6) [Br⁻].

CaBr₂ இன் மோலார் திணிவு = 40 + 2(80) = 200 g mol⁻¹

1. 100 cm³ இல் CaBr₂ = (10/75)×100 = 13.33 g ⟹ w/v% = 13.33%

2. n(CaBr₂) = 10/200 = 0.05 mol; 75 cm³ இல் Ca²⁺ (1:1) = 0.05×40 = 2 g; 100 cm³ இல் = (2/75)×100 = 2.67 g ⟹ w/v% = 2.67%

3. 75 cm³ இல் Br⁻ (1:2) = 0.05×2×80 = 8 g; 100 cm³ இல் = (8/75)×100 = 10.67 g ⟹ w/v% = 10.67%

4. 1000 cm³ இல் CaBr₂ = (10/75)×1000 = 133.33 g; n = 133.33/200 = 0.667 mol ⟹ 0.667 mol dm⁻³

5. [Ca²⁺] = [CaBr₂] × 1 = 0.667 mol dm⁻³ (CaBr₂ → Ca²⁺ + 2Br⁻, 1:1 விகிதம்)

6. [Br⁻] = [CaBr₂] × 2 = 1.333 mol dm⁻³ (1:2 விகிதம்)

💡 மையக் கருத்து

CaBr₂ வாய்ப்பாட்டில் உள்ள எண்ணிக்கையே அயன் செறிவு விகிதத்தைத் தீர்மானிக்கின்றது: [Ca²⁺] = [CaBr₂] (1:1) ஆனால் [Br⁻] = 2×[CaBr₂] (1:2 — CaBr₂ இல் 2 Br அணுக்கள் இருப்பதால்). இதே கருத்தே அலகு 12 இல் Ksp கணக்குகளுக்கு அடிப்படையாக அமையும் — ஒரு உப்பு கரையும்போது வாய்ப்பாட்டு எண்ணே அதன் அயன்களின் சார்பு செறிவுகளை நிர்ணயிக்கின்றது.

2. மூலற்றிறன் (molality)

செறிவை மூலர்த்திறனால் கூறும்போது வெப்பநிலை மாறினால் கனவளவு சிறிது விரிவடைகின்றது; எனவே செறிவும் சிறிது மாறுபடுகின்றது. இந்தச் சிக்கலைத் தவிர்ப்பதற்காக, கரைப்பானின் திணிவை அடிப்படையாகக் கொண்ட மூலற்றிறன் பயன்படுத்தப்படுகின்றது. ஒரு கிலோகிராம் கரைப்பானில் கரைந்துள்ள கரைபொருளின் மூல் அளவே மூலற்றிறன் ஆகும்; இதன் அலகு mol kg⁻¹ ஆகும். திணிவு வெப்பநிலையால் மாறாது என்பதனால் மூலற்றிறன் வெப்பநிலையைச் சார்ந்திராது.

மூலற்றிறன் = கரைபொருள் மூல் எண்ணிக்கை ÷ கரைப்பானின் திணிவு (kg)

பகுப்பு 2 — 10 g KNO₃ ஐ 500 g நீருடன் கலந்து ஒரு கரைசல் தயாரிக்கப்படுகின்றது. கரைசலின் மூலற்றிறனைக் கணிக்குக. KNO₃ இன் மூலர் திணிவு = 101 g mol⁻¹.

கரைபொருள் மூல் எண்ணிக்கை, n = 10 ÷ 101 = 0.099 mol

கரைப்பானின் திணிவு = 500 g = 0.50 kg

மூலற்றிறன் = n ÷ கரைப்பான் திணிவு = 0.099 ÷ 0.50 = 0.198 mol kg⁻¹

ஒரே கரைசலுக்கு மூலர்த்திறனும் மூலற்றிறனும் சமமாக இருக்காது; ஏனெனில் அவை முறையே கரைசலின் கனவளவையும் கரைப்பானின் திணிவையும் அடிப்படையாகக் கொண்டுள்ளன. எனினும், மிகவும் ஐதான கரைசல்களுக்கு இவ்விரண்டுக்குமிடையிலான வேறுபாடு புறக்கணிக்கக்கூடியதாக இருக்கும்.

3. மூல் பின்னம் (mole fraction)

ஒரு கலவையின் அமைப்பை அலகற்ற ஒரு பின்னமாகவும் வெளிப்படுத்தலாம். ஒரு கூறின் மூல் எண்ணிக்கைக்கும், கலவையில் உள்ள எல்லாக் கூறுகளினதும் மூல் எண்ணிக்கைகளின் கூட்டுத்தொகைக்கும் இடையிலான விகிதமே அந்தக் கூறின் மூல் பின்னம் (mole fraction) எனப்படும்; இது x என்னும் குறியீட்டால் குறிக்கப்படுகின்றது. இது இரு மூல் எண்ணிக்கைகளுக்கிடையிலான விகிதமாதலின் எவ்வித அலகையும் கொண்டிராது.

A இன் மூல் பின்னம், x_A = A இன் மூல் எண்ணிக்கை ÷ கலவையில் உள்ள மொத்த மூல் எண்ணிக்கை

ஒரு கலவையில் உள்ள எல்லாக் கூறுகளினதும் மூல் பின்னங்களின் கூட்டுத்தொகை எப்பொழுதும் 1 ஆகவே இருக்கும். மூல் பின்னத்தை 100 ஆல் பெருக்கினால் மூல் சதவீதம் (mole percentage) கிடைக்கின்றது.

பகுப்பு 3 — திணிவின்படி 20.0% ஐதரசன் பெரொக்சைட்டு (H₂O₂) கொண்ட ஒரு நீர்க்கரைசலில் H₂O₂ இன் மூல் பின்னத்தைக் கணிக்குக. (NIE பாடநூல், உதாரணம் 3.4)

100 g கரைசலைக் கருதின்: H₂O₂ இன் திணிவு = 20.0 g, H₂O இன் திணிவு = 80.0 g

H₂O₂ இன் மூல்கள் = 20.0 ÷ 34 = 0.588 mol
H₂O இன் மூல்கள் = 80.0 ÷ 18 = 4.44 mol

x(H₂O₂) = 0.588 ÷ (0.588 + 4.44) = 0.588 ÷ 5.03 = 0.116

மூல் சதவீதம் = 0.116 × 100 = 11.6%

4. சதவீத அமைப்பும் ppm உம்

ppm — மிகவும் ஐதான கரைசல் (பளுவொன் நிறமூட்டி)
*ppm — very dilute solution (fluorescein dye)*
Wikipedia → · CC

செறிவைச் சதவீதமாகவும் வெளிப்படுத்தலாம். திணிவுச் சதவீதம் (mass percentage) என்பது கரைபொருளின் திணிவை கரைசலின் மொத்தத் திணிவால் வகுத்து 100 ஆல் பெருக்கியது. சல்பூரிக் அமிலம் போன்ற செறிந்த இரசாயனப் பொருட்களின் செறிவு பொதுவாக இவ்வாறே குறிக்கப்படுகின்றது (உதாரணம்: 98% H₂SO₄). கனவளவுச் சதவீதம் கனவளவுகளுக்கிடையிலான விகிதத்தைக் காட்டுகின்றது.

மிகச் சிறிய அளவில் கரைபொருள் காணப்படும் ஐதான கரைசல்களுக்கு (உதாரணமாக நீரிலுள்ள மாசுக்கள்) சதவீதம் மிகச் சிறிய எண்ணாகிவிடுவதனால், மில்லியனில் ஒரு பகுதி (ppm) எனும் அலகு பயன்படுத்தப்படுகின்றது. இது கரைபொருளின் திணிவை கரைசலின் திணிவால் வகுத்து 10⁶ ஆல் பெருக்கியது. ஐதான நீர்க்கரைசலின் அடர்த்தி நீரின் அடர்த்திக்கு மிக அண்மையில் இருப்பதனால், ppm ஆனது நடைமுறையில் mg dm⁻³ (கரைசலின் ஒரு லீற்றருக்கு mg) ஆகவும் கருதப்படுகின்றது.

திணிவுச் சதவீதம் = (கரைபொருளின் திணிவு ÷ கரைசலின் திணிவு) × 100%

ppm = (கரைபொருளின் திணிவு ÷ கரைசலின் திணிவு) × 10⁶

பகுப்பு: 1.0 dm³ குடிநீரில் 0.020 g பளுவொன் (fluoride) கரைந்துள்ளது. கரைசலின் அடர்த்தி 1.0 g cm⁻³.
கரைசலின் திணிவு = 1000 cm³ × 1.0 g cm⁻³ = 1000 g
ppm = (0.020 ÷ 1000) × 10⁶ = 20 ppm

5. நீர்த்தம் (dilution): C₁V₁ = C₂V₂

நீர்த்தல் — கரைபொருள் மூல் மாறாமல் உள்ளது
*Dilution — moles of solute constant*
Wikipedia → · CC

ஒரு செறிந்த கரைசலுடன் கூடுதலான கரைப்பானைச் சேர்த்துச் செறிவைக் குறைக்கும் செயன்முறையே நீர்த்தம் எனப்படும். நீர்த்தத்தின்போது கரைப்பான் மட்டுமே சேர்க்கப்படுகின்றது; கரைபொருளின் மூல் எண்ணிக்கை மாறாமலேயே இருக்கின்றது. ஆதலின், நீர்த்தத்திற்கு முன்னும் பின்னும் கரைபொருளின் மூல் எண்ணிக்கை சமமாகவே இருக்கும். மூலர்த்திறன் = மூல் ÷ கனவளவு என்பதனால், மூல் எண்ணிக்கை = செறிவு × கனவளவு ஆகும். இதிலிருந்து கீழ்வரும் சமன்பாடு பெறப்படுகின்றது.

C₁V₁ = C₂V₂

C₁, V₁ = நீர்த்தத்திற்கு முந்திய செறிவும் கனவளவும் · C₂, V₂ = நீர்த்தத்திற்குப் பிந்திய செறிவும் கனவளவும்

பகுப்பு 3 — 2.0 mol dm⁻³ ஐதரோகுளோரிக் அமிலத்தின் (HCl) 25 cm³ ஐ எடுத்து, நீர் சேர்த்து 250 cm³ ஆக நீர்க்கப்படுகின்றது. புதிய செறிவைக் கணிக்குக.

C₁V₁ = C₂V₂

C₁ = 2.0 mol dm⁻³, V₁ = 25 cm³, V₂ = 250 cm³

2.0 × 25 = C₂ × 250
C₂ = (2.0 × 25) ÷ 250 = 0.20 mol dm⁻³

இங்கு V₁ உம் V₂ உம் ஒரே அலகில் (cm³) இருப்பதனால் dm³ ஆக மாற்ற வேண்டியதில்லை; ஏனெனில் சமன்பாட்டின் இரு பக்கங்களிலும் அலகுகள் ஒன்றையொன்று நீக்கிவிடுகின்றன. ஆனால் V₁ ஐ cm³ இலும் V₂ ஐ dm³ இலும் கலந்து பயன்படுத்தினால் விடை பிழைபடும்.

6. நியமக் கரைசலொன்றைத் தயாரித்தல்

கனமானக் குடுவை — நியமக் கரைசல் தயாரிப்பு
*Volumetric flask — standard solution preparation*
Wikipedia → · CC

மிகத் திருத்தமாக அறியப்பட்ட செறிவைக் கொண்ட கரைசல் நியமக் கரைசல் (standard solution) எனப்படும். இதைத் தயாரிப்பதற்கு இரண்டு பொதுவான வழிகள் உள்ளன. முதலாவது, ஒரு தூய சேர்வையின் திருத்தமாக அளந்தெடுக்கப்பட்ட திணிவைக் கரைப்பானில் கரைத்தல். இரண்டாவது, ஏற்கனவே தயாரிக்கப்பட்ட செறிந்த சேகரிப்புக் கரைசலை நீர்த்தல்.

முதல் முறையில், தேவையான கரைபொருள் மூல் எண்ணிக்கையைக் கணித்து, அதற்குரிய திணிவை ஒரு துலாக்கோலில் திருத்தமாக நிறுத்தல் வேண்டும். அந்தத் திணிவைச் சிறிதளவு காய்ச்சி வடித்த நீரில் கரைத்து, பின்னர் கனமானக் குடுவையின் (volumetric flask) குறிக் கோட்டு வரை நீரைச் சேர்த்துக் குறித்த கனவளவுக்கு நீர்க்க வேண்டும். உதாரணமாக 1.0 mol dm⁻³ செறிவுள்ள 500 cm³ ஐதரசன் சல்பேற்றுக் (H₂SO₄) கரைசலைத் தயாரிக்கத் தேவையான H₂SO₄ இன் திணிவைக் கீழே கணிக்கலாம்.

தேவையான மூல் எண்ணிக்கை = செறிவு × கனவளவு = 1.0 mol dm⁻³ × (500 ÷ 1000) dm³ = 0.50 mol

H₂SO₄ இன் மூலர் திணிவு = 2(1) + 32 + 4(16) = 98 g mol⁻¹

தேவையான திணிவு = மூல் எண்ணிக்கை × மூலர் திணிவு = 0.50 × 98 = 49 g

இவ்வாறு 49 g H₂SO₄ ஐ நிறுத்து, நீரில் கரைத்து, 500 cm³ கனமானக் குடுவையின் குறி வரை நீர்க்க வேண்டும்.

📝 தேர்வாளர் குறிப்பு

செறிவைக் கணிக்கும் முன், கனவளவு எந்த அலகில் தரப்பட்டுள்ளது எனப் பார்க்க. cm³ ஐ dm³ ஆக மாற்றத் தவறுவதே இந்தப் பகுதியில் புள்ளி இழக்கும் மிகப் பொதுவான காரணமாகும்.
C₁V₁ = C₂V₂ பயன்படுத்தும்போது V₁ உம் V₂ உம் ஒரே அலகில் இருக்க வேண்டும்; எந்த அலகாயினும் பரவாயில்லை.
நியமக் கரைசலொன்றைத் தயாரிக்கும்போது தேவையான திணிவைக் கணிக்கும் சங்கிலி: செறிவு → மூல் → திணிவு. பகுதி II இல் இது 6 புள்ளி வினாக்களில் அடிக்கடி கேட்கப்படுகின்றது.
மூலர்த்திறன் கனவளவையும், மூலற்றிறன் கரைப்பானின் திணிவையும் அடிப்படையாகக் கொண்டுள்ளன — இவற்றைக் குழப்பிக் கொள்ள வேண்டாம்.

முழுமையான ஆய்வுகூட நடைமுறை (6 படிகள்) — Na₂CO₃·10H₂O(s) இலிருந்து 1 mol dm⁻³, 500 cm³ Na₂CO₃(aq) தயாரித்தல்:

தேவையான n(Na₂CO₃) = 1 × 500×10⁻³ = 0.5 mol
∴ தேவையான n(Na₂CO₃·10H₂O) = 0.5 mol (1:1)
M(Na₂CO₃·10H₂O) = 106 + 10(18) = 286 g mol⁻¹
தேவையான திணிவு = 0.5 × 286 = 143 g

துலாக்கோலில் 143.00 g Na₂CO₃·10H₂O(s) ஐச் சுத்தமான கண்ணாடிக் கிண்ணத்தில் துல்லியமாக நிறுத்தல்.
புதிய 500 cm³ கனவளவுக் குமிழக் குடுவையில் (volumetric flask), குறைந்த அளவு காய்ச்சிய தூய நீரால் திண்மத்தைக் கரைத்தல்.
கரைந்த கரைசலை ஒரு புனல் வழியாகக் குமிழக் குடுவைக்குள் மாற்றுதல்; பயன்படுத்திய கிண்ணத்தையும் புனலையும் தூய நீரால் மீண்டும் மீண்டும் கழுவி, அக்கழுவு நீரையும் குடுவைக்குள் சேர்த்தல் (ஒரு துளி கரைபொருளும் வீணாகக் கூடாது).
குடுவையின் அறிகுறிக் கோட்டிற்கு (calibration mark) சற்று கீழே வரும் வரை தூய நீர் சேர்த்துக் கலக்குதல்.
துளிக்குழலைப் (dropper) பயன்படுத்தி, துளித்துளியாக, மெனிஸ்கசு அறிகுறிக் கோட்டை (meniscus) சரியாகத் தொடும் வரை மேலும் தூய நீர் சேர்த்தல்.
குடுவையை மூடி நன்கு தலைகீழாகக் கவிழ்த்து மீண்டும் மீண்டும் கலக்கி, ஏகபடித்தான 1 mol dm⁻³ செறிவுள்ள கரைசலை உருவாக்குதல்.

📝 தேர்வாளர் குறிப்பு

"நியமக் கரைசல் ஒன்றை எவ்வாறு தயாரிப்பீர்கள்?" எனும் classic கட்டமைப்பு வினாவுக்கு, கணக்கை மட்டும் காட்டாமல் ஆய்வுகூட உபகரணங்களையும் (volumetric flask, dropper, meniscus, calibration mark) நுட்பங்களையும் (கிண்ணம்/புனல் மீண்டும் கழுவுதல்) குறிப்பிட வேண்டும். நீரேறிய உப்பைப் (hydrate) பயன்படுத்தும்போது, மூலர் திணிவைக் கணிக்கும்போது நீரேறிய வடிவின் முழு மோலார் திணிவையே பயன்படுத்த வேண்டும் — நீரற்ற உப்பின் மோலார் திணிவு அல்ல.

செறிவு மற்றும் கரைசல்கள்
*Concentration and solutions*
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 மேலும் பயிற்சி செய்ய

📝 வினாத்தொகுப்பு 📄 கடந்தகால வினாத்தாள்கள் 🧠 மைண்ட்மாப்கள்

← அலகு 3