Oplossingen in de chemie zijn meestal binair, wat betekent dat ze uit twee componenten bestaan: de opgeloste stof en het oplosmiddel . De opgeloste stof is de stof die moet worden opgelost, de oplosmiddelfactor.
Op basis hiervan kunnen ze worden onderverdeeld in twee typen: gestandaardiseerde oplossingen en empirische oplossingen . Bij de laatste wordt de hoeveelheid opgeloste stof en oplosmiddel die ze bevatten niet kwantitatief en exact in rekening gebracht.
Normaal gesproken zijn opgeloste stoffen en oplosmiddelen in empirische oplossingen relatief, omdat deze eenvoudigweg kunnen veranderen met de hoeveelheden; als we een oplossing hebben met gelijke hoeveelheden van beide elementen, kan aan elk van beide een van beide namen worden toegekend, hoewel de stof die in de grootste verhouding aanwezig is, conventioneel als oplosmiddel wordt beschouwd.
Wat is een oplossing?
Om de term ' empirische oplossingen' volledig te begrijpen, is het nodig te weten wat een oplossing is. In de chemie wordt een oplossing gedefinieerd als een homogeen mengsel , doorgaans samengesteld uit deeltjes kleiner dan 10 atomen of relatief kleine moleculen. Deze oplossingen bestaan meestal uit twee hoofdbestanddelen: opgeloste stoffen (soluten) en oplosmiddelen (solventen).
Een homogeen mengsel is een mengsel waarvan de componenten op microscopisch niveau gelijkmatig verdeeld zijn , waardoor de fasen niet met het blote oog te onderscheiden zijn. Typische voorbeelden zijn zout water, een koolzuurhoudende drank of de lucht die we inademen (een mengsel van verschillende gassen).
Opgeloste stoffen
Opgeloste stoffen zijn de substanties die in een mengsel oplossen omdat ze in een kleinere hoeveelheid aanwezig zijn dan het oplosmiddel. Een opgeloste stof kan een vaste stof, een vloeistof of een gas zijn, zolang deze maar gelijkmatig in het oplosmiddel kan worden verspreid. Een bekend voorbeeld is suiker dat oplost in water.
oplosmiddelen
Oplosmiddelen zijn stoffen die opgeloste stoffen (soluten) oplossen; ze zijn in grotere hoeveelheden aanwezig dan de opgeloste stof zelf. Het oplosmiddel vormt het medium waarin de deeltjes van de opgeloste stof verspreid zijn. Water is het meest voorkomende oplosmiddel in het dagelijks leven en staat bekend als het universele oplosmiddel vanwege zijn vermogen om een grote verscheidenheid aan stoffen op te lossen.
Oplossingen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: oplossingen waarbij de exacte hoeveelheid opgeloste stof en oplosmiddel in een mengsel kan worden bepaald, de zogenaamde standaardoplossingen ; en empirische oplossingen , waarbij de precieze hoeveelheid van deze componenten niet kan worden bepaald omdat er geen formele meetmethoden worden gevolgd.
Wat is een empirische oplossing?
Empirische oplossingen zijn mengsels waarin de exacte hoeveelheid opgeloste stof en oplosmiddel niet kwantitatief kan worden bepaald met behulp van berekeningen of laboratoriuminstrumenten. In deze oplossingen wordt de verhouding tussen beide kwalitatief vastgesteld , op basis van ervaring of persoonlijk oordeel, zonder gebruik te maken van concentratie-eenheden zoals molariteit, normaliteit of percentage.
In een empirische oplossing kunnen verschillende aggregatietoestanden voorkomen: vaste stoffen kunnen gescheiden of gecombineerd worden in vloeistoffen , vloeistoffen in vloeistoffen , gassen in vloeistoffen en gassen in gassen , waarbij de stof met het grootste volume over het algemeen als oplosmiddel fungeert en de stof met een kleiner volume oplost.
Het woord 'empirisch' verwijst naar het feit dat deze oplossingen het product zijn van de praktijk en ervaring van de persoon die ze bereidt. Ze worden ook wel kwalitatieve oplossingen genoemd , omdat de beschrijving wordt gegeven in termen als 'een kleine hoeveelheid', 'veel', 'een snufje' of 'een lepeltje', zonder exacte massa's, molen of volumes te vermelden.
De oplostijden variëren afhankelijk van factoren zoals temperatuur , druk en de aard van de opgeloste stof . In het geval van gasvormige oplossingen bepalen deze factoren grotendeels het vermogen van het gas om in het oplosmiddel op te lossen, wat de viscositeit of dikte kan verhogen wanneer de hoeveelheid gasvormige opgeloste stof aanzienlijk is.
Het is belangrijk om te benadrukken dat empirische oplossingen veel voorkomen in alledaagse situaties, zoals thuis, in restaurants, bars en keukens . Iedereen kan ze bereiden zonder gespecialiseerde scheikundekennis of het gebruik van meetinstrumenten. Het maken van sap, een cocktail of een latte is bijvoorbeeld vaak een empirisch proces: er wordt meer of minder toegevoegd, afhankelijk van de persoonlijke smaak.
Er zijn vijf soorten empirische oplossingen, ingedeeld op basis van de eigenschappen van het oplosmiddel en de opgeloste stof: verdund , geconcentreerd , verzadigd , onverzadigd en oververzadigd . Deze classificatie is gebaseerd op de oplosbaarheid en de hoeveelheid opgeloste stof die aan het oplosmiddel wordt toegevoegd, hoewel in empirische contexten geen exacte cijfers worden gebruikt.
Als een mengsel beide stoffen als vloeibare componenten bevat, verliezen ze hun identiteit als de oorspronkelijke materialen en is de enige manier om ze te onderscheiden de hoeveelheid die in het mengsel aanwezig is. Dit komt vaak voor bij de bereiding van cocktails, oliemengsels of vloeibare sauzen.
Kenmerken van empirische oplossingen
Tot de meest relevante kenmerken van empirische oplossingen behoren de volgende:
- Ze worden meestal bereid in informele omgevingen zoals woningen, bars, cafés, restaurants of industriële keukens, in plaats van onderzoekslaboratoria.
- Ze kunnen gemaakt worden door elke persoon, zonder dat specifieke training in scheikunde of ervaring met het gebruik van volumetrische materialen of weegschalen nodig is.
- Ze zijn gemaakt om te voldoen aan praktische behoeften zoals voedsel, smaak, textuur of uiterlijk voor de productie van voedsel en dranken, en niet voor precieze analytische of industriële doeleinden.
- Overheerst persoonlijke smaakPersoonlijk oordeel en ervaring: er wordt meer of minder opgeloste stof toegevoegd, afhankelijk van de gewenste smaak, kleur, geur of consistentie.
- Er worden geen weegmethoden gevolgd en er worden ook geen weegmethoden uitgevoerd. stoichiometrische berekeningenOok worden er geen instrumenten zoals pH-meters of buretten gebruikt voor de bereiding ervan.
- Ze worden over het algemeen niet gebruikt. volumetrische materialen gekalibreerd; in plaats daarvan worden lepels, glazen, kannen, kopjes, "knijpsels" met de vingers of elk ander alledaags bakje gebruikt.
- In routine- en onderzoekslaboratoria wordt het gebruikt onregelmatigomdat daarvoor gestandaardiseerde oplossingen met bekende concentraties nodig zijn om reproduceerbare resultaten te verkrijgen.
- De meest voorkomende empirische oplossingen zijn meestal vaste opgeloste stoffen in vloeistoffen (zoals suiker in water) of mengsels vloeistof-vloeistof (bijvoorbeeld verschillende soorten sterke drank in een cocktail).
Soorten empirische oplossingen
Deze typen worden ingedeeld op basis van de oplosbaarheid van de stoffen en, vooral, de hoeveelheid opgeloste stof in het mengsel, steeds vanuit een kwalitatief perspectief. De belangrijkste categorieën zijn de volgende.
Verdun oplossingen
Dit zijn oplossingen waarbij de hoeveelheid oplosmiddel veel groter is dan de hoeveelheid opgeloste stof, waardoor er een relatief klein aandeel opgeloste stof overblijft. Ze worden ook wel zwakke oplossingen genoemd vanwege de kleine hoeveelheid opgeloste stof. Een voorbeeld hiervan is een lepel suiker toevoegen aan hete koffie; de suiker lost dan extreem snel op dankzij de hoeveelheid oplosmiddel.
Bij de empirische benadering wordt een verdunde oplossing herkend aan kenmerken zoals een milde smaak , een bleke kleur of een lage schijnbare dichtheid . Een sap dat bijvoorbeeld met weinig vruchtensap en veel water is bereid, wordt als licht en niet erg zoet ervaren.
Geconcentreerde oplossingen
Dit zijn oplossingen met een grote hoeveelheid opgeloste stof in verhouding tot de hoeveelheid oplosmiddel in het mengsel. Dit kan ook worden geïnterpreteerd als de maximale hoeveelheid van de stof die oplost in de hoeveelheid oplosmiddel die door de persoon die de oplossing bereidt als geschikt wordt beschouwd. Een voorbeeld hiervan is wanneer 10 gram zout in een halve liter water wordt gedaan, of wanneer er een grote hoeveelheid suiker aan limonade wordt toegevoegd totdat deze erg zoet wordt.
Het is belangrijk om te benadrukken dat er empirisch gezien geen exacte grens bestaat tussen verdunde en geconcentreerde oplossingen; het onderscheid wordt gemaakt op basis van kwalitatieve criteria, zoals smaak, kleur, viscositeit of waargenomen dichtheid. De ene persoon vindt een drankje geconcentreerd, terwijl een ander het als acceptabel zoet ervaart.
Onverzadigde oplossingen
Deze oplossingen worden gekenmerkt door een lagere concentratie opgeloste stof dan de maximale hoeveelheid die het oplosmiddel onder specifieke temperatuur- en drukcondities kan oplossen. Met andere woorden, het is nog steeds mogelijk om meer opgeloste stof op te lossen zonder dat er neerslag ontstaat. Empirisch gezien zijn dit oplossingen waarin, als er meer opgeloste stof wordt toegevoegd, deze probleemloos blijft oplossen. Een voorbeeld hiervan is 30 gram zout in 2 liter water.
Verzadigde oplossingen
Verzadigde oplossingen zijn precies het tegenovergestelde van onverzadigde oplossingen, omdat ze de maximale hoeveelheid opgeloste stof bevatten die de oplossing onder specifieke druk- en temperatuuromstandigheden kan bevatten. Wanneer een oplossing verzadigd raakt, lost er geen opgeloste stof meer op , waardoor een dynamisch evenwicht ontstaat tussen de opgeloste en onopgeloste stof. In de praktijk blijkt uit empirische waarnemingen dat, ongeacht hoe vaak de oplossing wordt geroerd, er altijd een deel van de opgeloste stof op de bodem van het vat achterblijft.
Oververzadigde oplossingen
Deze oplossingen bevatten een nog hogere concentratie opgeloste stof dan verzadigde oplossingen onder dezelfde omstandigheden. Ze worden doorgaans verkregen door de temperatuur van het oplosmiddel te verhogen, zodat er meer opgeloste stof in kan oplossen dan normaal, en vervolgens het mengsel af te koelen zonder het te verstoren. De enige manier om de overtollige opgeloste stof opgelost te houden, is door de bereikte omstandigheden te handhaven; bij afkoeling of andere veranderingen kan een groot deel van de opgeloste stof terugkeren naar de oorspronkelijke toestand en kristalliseren.
Oververzadigde oplossingen zijn instabiel en veranderen bij de geringste schok, plotselinge beweging of de introductie van een opgeloste stofkristal snel in verzadigde oplossingen, waarbij de overtollige opgeloste stof neerslaat. Dit verschijnsel is zeer illustratief in laboratoriumexperimenten en bij de productie van snoep en gekristalliseerde zoetigheden.
Oplossingseigenschappen
Oplossingen bezitten vele eigenschappen, maar een van de belangrijkste is de oplosbaarheid . Dit is de hoeveelheid opgeloste stof die bij een bepaalde temperatuur in een oplosmiddel kan oplossen totdat een evenwicht is bereikt. Elke verbinding heeft zijn eigen oplosbaarheid, die afhangt van factoren zoals de chemische aard van de verbinding en die van het oplosmiddel.
In de context van oplossingen zijn er ook andere eigenschappen die verband houden met zowel de opgeloste stof als het oplosmiddel. Voor de opgeloste stof zijn dit onder andere de elektrische geleidbaarheid (in het geval van elektrolyten), de dampdruk en het effect op het vries- of kookpunt van de oplossing. Voor het oplosmiddel worden eigenschappen zoals kookpunt , smeltpunt en diëlektrische constante bestudeerd.
Microscopisch gezien is er voor de vorming van een homogene oplossing een zekere aantrekkingskracht nodig tussen de opgeloste stof en de oplosmiddelmoleculen, die de aantrekkingskrachten tussen de opgeloste stofmoleculen alleen overwint. Hierdoor verspreiden de deeltjes van de opgeloste stof zich en binden ze zich aan de oplosmiddeldeeltjes, waardoor een uniform systeem ontstaat.
Een klassiek voorbeeld is dat van water en suiker. Wanneer je een lepel suiker in een glas water doet, lost deze op omdat de watermoleculen sterk genoeg zijn om met de suikermoleculen te reageren , waardoor de kristallijne structuur van de suiker wordt afgebroken en elk opgelost deeltje wordt omhuld. Het resultaat is een homogene vloeistof waarin suikerkristallen niet langer met het blote oog zichtbaar zijn.
De manier waarop veel empirische oplossingen worden bereid (roeren, verwarmen, de opgeloste stof vermalen) beïnvloedt ook de oplossnelheid . Het vermalen van een vaste stof tot fijne deeltjes of het verhogen van de temperatuur van het oplosmiddel versnelt het proces meestal, zelfs als er geen kwantitatieve metingen worden verricht.
Hoe worden empirische oplossingen voorbereid?
Bij het bereiden van empirische oplossingen spelen persoonlijke voorkeuren en praktische overwegingen een belangrijke rol . De hoeveelheid opgeloste stof en de hoeveelheid oplosmiddel hangen af van het oordeel van degene die het mengsel bereidt, zonder gebruik te maken van exacte wegingen of precieze volumemetingen.
In dit soort oplossingen bestaan er geen formele meeteenheden . In plaats van grammen of milliliters worden uitdrukkingen gebruikt zoals "een theelepel zout", "een scheutje melk", "een snufje suiker" of "twee vingers sterke drank". Deze zijn duidelijk empirisch, omdat ze de concentratie niet uitdrukken in termen van de exacte massa of het aantal mol dat aanwezig is.
De materialen die gebruikt worden om empirische oplossingen te bereiden zijn eveneens informeel: lepels, kopjes, glazen, kannen, handvol of sliertjes die met de vingers worden genomen. Deze containers hebben geen gekalibreerde volume-indicator, waardoor twee mensen verschillende mengsels kunnen bereiden, zelfs met dezelfde ogenschijnlijke "maat".
Ondanks dit gebrek aan precisie bereiken veel mensen door oefening een opmerkelijke empirische reproduceerbaarheid : ze kunnen bijvoorbeeld herhaaldelijk dezelfde soort koffie of dezelfde cocktail met een zeer vergelijkbare smaak bereiden, puur op basis van zintuiglijke ervaring.
Alledaagse voorbeelden van empirische oplossingen
Empirische oplossingen zijn een constante factor in het dagelijks leven. Enkele aanvullende voorbeelden, naast de voorbeelden die later aan bod komen, zijn:
- CocktailbereidingHoewel de hoeveelheden sterke drank en andere ingrediënten worden aangegeven, worden deze in de praktijk meestal aangepast aan de smaak van degene die het drankje bereidt of aan de gast.
- Taarten en gebak makenMeng eieren, bloem, melk, suiker en olie in hoeveelheden die vaak ter plekke worden aangepast om de gewenste textuur te verkrijgen.
- Sauzen en stoofschotelsDe hoeveelheid zout, kruiden, bouillon of water wordt aangepast aan de gewenste smaak, zonder te wegen of precieze maten te gebruiken.
- Sappen en smoothiesDe verhouding van vruchtvlees, water, melk of ijs wordt aangepast om de drank dikker, lichter, zoeter of zuurder te maken.
- Infusies en theeënVoeg “een lepel” of “een handvol” kruiden toe aan heet water, maar die hoeveelheid verschilt per persoon.
8 voorbeelden die helpen bij het bepalen van empirische oplossingen
- Bij het voorbereiden van een koffie met melkDe koffie, die een vaste stof is (hetzij hele bonen, hetzij gemalen, die vervolgens worden geëxtraheerd), wordt beschouwd als de opgeloste stof, en de melk als het oplosmiddel, omdat het een vloeistof is. Afhankelijk van de hoeveelheid melk of koffie die wordt toegevoegd, zal het mengsel lichter of donkerder zijn, zonder dat de exacte verhouding kan worden gemeten.
- Chocolade en waterDe chocolade (in poedervorm of gesmolten) is de opgeloste stof en het water is het oplosmiddel. De intensiteit van de smaak hangt af van de hoeveelheid opgeloste chocolade, een duidelijk voorbeeld van een empirische oplossing.
- Wanneer het aan een oplossing wordt blootgesteld water en luchtMist ontstaat doordat kleine waterdruppeltjes, verspreid in de lucht, een systeem vormen waarbij het gas als verspreidingsmedium fungeert.
- Verf en verdunnerOm olieverf makkelijker te gebruiken, moet deze verdund worden met verdunner, het oplosmiddel dat bij het aanbrengen wordt gebruikt. De hoeveelheid verdunner die wordt toegevoegd, hangt af van de gewenste consistentie; er is geen exacte maat.
- zeep waterIn deze oplossing is water het oplosmiddel en zeep de opgeloste stof. Dit kan ook dienen als voorbeeld van een onverzadigde of geconcentreerde oplossing, afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegde zeep.
- Koffie met waterBij het bereiden van filterkoffie of oploskoffie met water ontstaat een andere empirische oplossing, waarbij het water als oplosmiddel fungeert en de hoeveelheid koffie naar smaak wordt aangepast.
- suiker waterDe suiker is de stof die moet worden opgelost en het water is het oplosmiddel. De zoetheid van het mengsel hangt af van de hoeveelheid die er op een bepaalde manier aan wordt toegevoegd.
- Water met kunstmatige vruchtensappenDeze drankjes zijn gedroogde producten die fungeren als een soort gearomatiseerde suiker. Ze werken op dezelfde manier als in het vorige voorbeeld: de hoeveelheid poeder wordt "op gevoel" aangepast om de gewenste smaak te verkrijgen.
Deze hele reeks voorbeelden laat zien hoe in het dagelijks leven voortdurend empirische oplossingen worden bereid waarbij geen exacte getallen of concentraties worden gehanteerd, maar waarbij de eigenschappen van oplosbaarheid, smaak, kleur en consistentie intuïtief worden benut.