حلالیت و عوامل موثر بر آن

سلامی گرم به همه ی علاقه مندان شیمی

فصل دوم

                 فصل دوم

             تاریخچه و پیشینه تحقیق

 

 

دید کلی :

      محلول ها، مخلوط هایی همگن هستند. محلول ها را معمولاً بر حسب حالت فیزیکی آن ها طبقه بندی می کنند. محلول های گازی، محلول های مایع و محلول های جامد. محلول های جامد اول به شکل محلول جامد در مایع هستند ولی بعد در دمای اتاق سخت می شوند. آلیاژهای انواع فلزات مثال های خوبی از یک محلول جامد در جامد در دمای اتاق هستند.

       سکه های نقره ای محلول هایی از روی مس و نقره اند و برنج محلولی جامد از روی در مس   است. هر آلیاژی محلول جامد نیست، بعضی از آلیاژها مخلوط هایی ناهمگن اند. محلول های مایع متداول ترین محلول ها هستند و بیشترین کاربرد را در بررسی های شیمیایی دارند. هوا هم مثالی برای محلول های گازی می باشد.

ماهیت محلول ها :

      یک محلول ساده اساساً دو ماده است که به یکدیگر ترکیب شده اند. یکی از آن ها حل شونده (مثل شکر) و دیگری حلال (مثل آب) نامیده می شود.

      به سه طریق می توان حلال از حل شونده تشخیص داد :

1- معمولاً مقدار حلال از حل شونده بیشتر است.  اما گاهی آسانتر آن است که جزئی از محلول را با آنکه مقدارش کم است، حالا بنامیم و گاهی اصولا اطلاق نام حلال و حل شونده به اجزای یک محلول (مثلاً محلول های گازی) چندان اهمیتی ندارد. بعضی از مواد به هر نسبت در یکدیگر حل می شوند.

2- ماده ای که در اثر فرآیند انحلال تغییر حالت می دهد حل شونده است.

3- در صورت هم اندازه بودن دو ماده ، آن ماده ای را که از اهمیت و شهرت بیشتری برخوردار است، حلال می نامیم.

      امتزاج پذیری کامل از ویژگی های اجزای تمام محلول های گازی و بعضی از اجزای محلولهای مایع و جامد است. ولی غالباً مقدار ماده ای که در حلال معینی حل می شود، محدود است.

      انحلال پذیری یک ماده در یک حلال مخصوص و در دمای معین، بیشترین مقداری از آن ماده است که در مقدار معینی از آن حلال مخصوص و دردمای معین، بیشترین مقدار از آن ماده است که در مقدار معینی از  آن انحلال حل می شود و یک سیستم پایدار به وجود می آورد.

غلظت محلول :

      برای یک محلول معین، مقدار ماده حل شده در واحد حجم حلال یا در واحد حجم محلول را غلظت ماده حل شده می گوییم. مهمترین نوع غلظت ها که در آزمایشگاه بکار می رود مولاریته و نرمالیه است. مولاریته عبارت است از تعداد مول های یک ماده که دریک لیتر محلول وجود وجود دارد. به همین دلیل آن را مول بر لیتر یا M/L می گیرند. نرمالیته یک محلول عبارت است از تعداد هم ارز گرم های ماده موجود در یک لیتر محلول نرمالیته را که با N نشان می دهند.

 

انواع محلول ها :

محلول های آبی :

      محلول هایی که حلال آن ها آب است، محلول آبی نامیده می شوند. آب فراوان ترین و رایج ترین حلال شناخته شده است. این حلال ترکیب های یونی و کووالانسی بسیار را در خود حل می کند بنابراین آب و محلول های آبی نقش مهمی در زندگی روزانه دارند. اغلب فرآیندهای زیست شیمیایی از قبیل هضم، جذب، و سوخت و ساز مواد غذایی در محلول آبی انجام می شود. در صنایع شیمیایی تعداد زیادی از واکنش ها در محیط آبی صورت می گیرد.

محلول هایی غیر آبی:

      گرچه آب مهمترین حلال شناخته شده است، اما حلال های مهم دیگری نیز وجود دارند. هگزان ، اتانول و استون سه نمونه ی مهم از حلال های آلی هستند به محلول حاصل از حلال های آلی محلول غیر آبی می گویند.

محلول های رقیق :

      محلول هایی که غلظت ماده حل شده آنها نسبتا کم است.

محلول سیر شده :

      اگر مقدار ماده حل شده در یک محلول برابر با انحلال پذیری آن در حلال باشد ، آن محلول را محلول سیر شده می نامیم. اگر به مقداری از یک حلال مایع، مقدار زیادی ماده حل شونده ( بیشتر از مقدار انحلال پذیری آن ) بیفزاییم ، بین ماده حل شده و حل شونده باقیمانده ممکن است جامد ، مایع یا گاز باشد. در تعادل از محلول است. بنابراین در حالت تعادل، غلظت ماده حل شده مقداری ثابت است.

محلول سیر نشده :

      غلظت ماده حل شده در یک محلول سیر نشده کمتر از غلظت آن در یک محلول سیر شده است.

محلول فرا سیر شده :

      می توان از یک ماده حل شونده جامد ، محلول فرا سیرشده تهیه کرد که در آن ، غلظت ماده حل شده بیشتر از غلظت آن در محلول سیر شده است. این محلول حالتی نیم پایدار دارد و اگر مقدار بسیار کمی از ماده حل شونده خالص بدان افزوده شود ، مقدار از ماده حل شده که بیش از مقدار لازم برای سیر شدن محلول در آن وجود دارد ، رسوب می کند.

 

خواص فیزیکی محلول ها :

      بعضی از خواص محلولها به دو عامل ، نوع ماده حل شده و غلظت آن در محلول بستگی دارند. این مطلب برای بسیاری خواص فیزیکی محلول ها از جمله، محلول های آبی درست به نظر می رسد. برای مثال محلول نمک طعام در آب بی رنگ پرمنگنات پتاسیم در آب، بنفش صورتی است (در اینجا نوع ماده حل شده مطرح است) . افزون بر این، می دانیم که هر چه بر محلول پرمنگنات آب بریزیم و آن را رقیقتر کنیم ، از شدت رنگ آن کاسته می شود (اینجا غلظت محلول مطرح است).

      یکی دیگر از خواص فیزیکی که به این دو عامل بستگی دارد ، قابلیت هدایت الکتریکی محلول آبی  مواد گوناگون است. چهار خاصه فیزیکی دیگر از محلول ها وجود دارد که به نوع و ماهیت ذرات حل شده بستگی ندارد ، بلکه فقط به مجموع این ذرات وابسته است. به عبارت دیگر ، تنها عامل مؤثر بر خواص محلول ( مثلاً نقطه جوش) غلظت است. چنین خواصی از محلول را معمولاً (خواص جمعی محلول ها) خواص کولیگاتیو می نامند و عبارتند از کاهش فشار بخار ، صعود نقطه جوش، نزول نقطه انجماد و فشار اسمزی.

 

 

کاهش فشار بخار:

      وقتی یک حل شونده غیر فرار در یک حلال حل می شود، فشار بخار آن کاهش می یابد و مقدار کاهش به مقدار حل شونده بستگی دارد. هر چه میزان حل شونده بیشتر باشد میزان کاهش در فشار بخار بیشتر است. برای مثال اگر دو ظرف را در نظر بگیریم که در آنها مقدار مساوی مایع وجود دارد که یکی محتوی مولکولهای آب خالص و دیگری محتوی محلول قند آب است  بدیهی است که تعداد مولکولهای آب در واحد حجم از آب قند، کمتر از آب خالص است. به همین نسبت تعداد مولکولهای آب در سطح  آب قند، نیز کمتر می باشد. بنابراین نسبت مولکولهای پر انرژی آب که قادر به تبخیر از سطح آب قند هستند، کمتر می باشد و در نتیجه فشار بخار محلول کمتر می شود.

افزایش نقطه جوش:

      در اثر حل شدن مقداری حل شونده غیر فرار در یک حلال، نقطه جوش آن افزایش می یابد. مقدار افزایش فقط به مقدار حل شونده بستگی دارد. برای مثال، آب در شرایط متعارفی (دمای 25 درجه سانتیگراد و فشار

بخار یک اتمسفر یا 760میلی متر جیوه) در 100 درجه سانتیگراد می جوشد. اما اگر درآب، مقداری قند مثلا به غلظت یک مولال ( در 1000 گرم آب) بریزیم، فشار بخار محلول آب قند به اندازه 14 میلی متر جیو کاهش می یابد و در نتیجه محلول در 52/100 درجه سانتگراد می جوشد.

کاهش نقطه انجماد:

      وقتی یک حل شونده غیر فرار در یک حلال حل می شود، نقطه انجماد آن کاهش می یابد.

بنابراین دمای انجماد محلولهای آبی همیشه کمتر از دمای انجماد آب خالص است. استفاده از این خاصیت در رادیاتور اتومبیل می باشد که برای جلوگیری از یخ زدن  آب رادیاتور اتومبیل در  زمستان، به آن مقداری مایع به نام ضد یخ می افزایند. همچنین با اضافه کردن نمک) مانند کلرید سدیم (همراه با شن ریزی روی آسفالت  خیابانهای شهر، هیدارته شدن یونهای نمکها مستلزم  مصرف مقداری آب است که از ذوب شدن برف فراهم می گردد. بنابراین آب نمک غلیظی فراهم می شود که حتی در 20 درجه زیر صفر منجمد نمی شود.

 فشار اسمزی:

      اگر در ظرف U شکلی، حلال A از مخلوط حلال و حل شونده (B+A) به وسیله یک غشار نیمه تراوا جدا شود، چون فقط حلال از غشا عبور می کند، بعد از رسیدن به حالت تعادل، ارتقاع مایع در قسمت (حاوی B+A که حل شونده وجود دارد بالا می رود.

      اگر به این ستون فشار وارد شود تا سطح مایع در دو طرف یکسان شود، این فشار اسمزی  است که به علت حل شدن حل شونده غیر فرار در حلال ایجاد شده است.

      به عکس فرآیند اسمز، اسمز معکوس گویندکه برای شیرین کردن آب استفاده می شود. همچنین برای تعیین جرم مولکولی پلیمرها، پروتئینها و بطور کلی مولکولهای سنگین از فشار اسمزی استفاده می شود.

 

فرآیند انحلال:

      هنگامی که ماده حل شونده در حلال حل می شود، انرژی جذب شده آزاد می شود. مقدار واقعی این انرژی به ازای هر مول ماده حل شونده، به غلظت محلول ایجاد شده بستگی دارد. گرمایی که به هنگام تهیه یک محلول جذب می شود، تفاضل انرژی لازم برای تفکیک برخی پیوندهای شیمیایی یا نیروهای جاذبه بین مولکولهای ماده حل شونده با یکدیگر و بین مولکولهای حلال با هم می باشند.

      انرژی آزاد شده بر اثر تشکیل پیوندها و اعمال نیروهای جاذبه جدید بین ماده حل شونده و حلال می باشد. بنابراین وقتی یک جامد یونی در آب حل می شود، گرمای انحلال نمایانگر تفاوت انرژی لازم برای در هم شکستن شبکه بلوری (+H) و انرژی آزاد شده به هنگام آبدار (هیدارته) شدن یونهاست. (-H)

گرمای هیدراتاسیون (آبپوشی):

      گرمای هیدراتاسیون در اثر مجموع عوامل زیر بوجود می آید:

انرژی لازم برای گسستن پیوندهای هیدروژنی بین بعضی از مولکولهای آب

انرژی آزاد شده از آبدار شدن یونهای ماده حل شونده توسط مولکولهای آب

      اگر انرژی آزاد شده در فرآیند هیدراتاسیون بیش از انرژی لازم برای درهم شکستن شبکه بلور باشد، فرآیند کلی انحلال گرما ده می باشد. اما اگر انرژی هیدراتاسیون نتواند بیشتر یا برابر انرژی شبکه باشد، به هنگام انحلال ماده حل شونده در آب گرما جذب می شود.

      آبپوشی در یونهایی مانند CU2+ که چگالی بار (نسبت بار به اندازه یون) زیاد است به بیشترین تعداد خود می رسد و در نتیجه با پیوندهای قوی مانند CU(H2O)2+ تشکیل می شود. همه کاتیونهای فلزات واسطه در محلول آبی رقیق به صورت گونه های آب پوشیده وجود ندارد. اما در کاتیونهایی مانند K+ که چگالی بار کمتر است، انرژی آبپوشی کمتر می شود. اثرات آبپوشی درآنیونها اهمیت کمتری دارد.

تأثیر ثابت دی الکتریک آب در انحلال :

      قدرت حلالیت آب برای یک ترکیب یونی را میتوان با کاهش نیروی جاذیه میان آنیونها و کاتیونها توضیح داد. طبق قانون کولن  در این معادله f نیروی جاذبه الکتروستاتیکی بین دو یون مثبت و منفی، q2,q1 بار یونها، r فاصله میان یونها و D خاصیت ویژه حلال (ثابت دی الکتریک) می باشد. بدیهی است که هر قدر ثابت دی الکتریک بیشتر باشد، نیروی جاذبه میان یونهاکمتر می شود.

      در میان تمام مایعات، آب بالاترین ثابت دی الکتریک را دارد. مولکول های قطبی و کوچک آب می توانند بین یونهای مثبت و منفی داخل محلول قرار گیرند. قطب منفی آب به طرف کاتیون و قطب مثبت آن به طرف آنیون می رود و در نتیجه مولکولهای آب می توانند بطور موثری یونها را از هم جدا سازند و سپس با احاطه شدن یونها با مولکولهای آب، فرآیند آبپوشی و درنتیجه  انحلال ترکیب مورد نظر صورت می گیرد.

 

 

انواع حلال ها :

      حلال جزء مهمی از محلول است. حلال ها مواد شیمیایی هسنتد که مواد دیگر را در خود حل می کنند. حلال ها بطور کلی به دو دسته ی حلال های قطبی و حلال های غیر قطبی تقسیم می شوند. در حلال قطبی ، ذرات تشکیل دهنده ی حلال ، قطبی بوده و یکدیگر را با نیروی جاذبه ی الکتروستاتیکی جذب می نمایند .

مهمترین حلال قطبی آب می باشد . انواع اسیدها مانند سولفوریک اسید نیز در این دسته قرار می گیرند.

در حلال های غیر قطبی ، ذرات حلال غیر قطبی بوده و بنابراین تنها نیروی جاذبه ی ضعیف واندروالسی بین ذرات وجود دارد ، به همین دلیل این حلال ها اغلب دارای نقطه ی جوش بسیار پایین بوده و فرّار هستند. میان ذرات ماده ی حل شونده غیر قطبی نیز فقط نیروهای واندروالس وجود دارد. بنابراین تمام ذرات موجود در محلول ، فقط تحت تأثیر این نیرو هستند و امکان تشکیل محلول وجود دارد .

یک مثال حلال های غیر قطبی ، هیدروکربن های سیر شده ی خطی مانند هگزان است. موم که یک ماده ی غیر قطبی است در هگزان حل خواهد شد .

      البته تمام اجسام غیر قطبی در یکدیگر حل نمی شوند. حال متئداول ترین نوع محلول ، یعنی یک جامد حل شده در یک مایع را در نظر می گیریم. انحلال پذیری یک جامد غیر قطبی در یک مایع غیر قطبی به دوعامل بستگی دارد : دمای ذوب و آنتالپی ذوب آن .

      وقتی این جامد حل می شود ، محلول مایع بدست می آید. جامدهایی که تفاوت دمای ذوب و آنتالپی ذوبشان بالاست ، انحلال پذیری بیتری نشان می دهند.

      حلال های آلی دسته ی بسیار مهمی از حلال ها را تشکیل می دهند که در زندگی کاربردهای بسیاری دارند. به عنوان مثال ، حلال ادکلن ها ، انواع اسپری ها ، چسب ها ، انواع الکل ها و ... تعدادی از حلال های آلی را تشکیل می دهند.

      الکل ها دسته ی بسیار مهمی از حلال های صنعتی را تشکیل می دند. میان ذرات حلال در الکل ها ، پیوندهای هیدروژنی می باشد. اما یک سر الکل ها ، سرآلی و غیر قطبی آنها می باشد. در نتیجه این حلال ها می توانند هم مواد غیر قطبی را با سر غیر قطبی در خود حل کنند و هم موادی که می توانند با آن پیوند هیدروژنی برقرار نمایند ، مانند آب.

      در کل حلال های آلی نسبت به حلال های غیرآلی یا حلال های معدنی ، قطبیت کمتری دارند و در نتیجه معمولاً این دسته از حلال ها ، مواد غیر قطبی را بهتر در خود حل می کنند.

 

 

 انواع انحلال ها :

 انحلال مواد به دو صورت ممکن است انجام پذیرد :

الف) انحلال مولکولی : برخی مواد نظیر قند ، الکل ، گلیسیرین ، پس از آن که در آب حل می شوند یونیزه نمی شوند ( به یون تبدیل نمی شوند ) و فقط مولکول ها از هم جدا می شوند و یون در محیط بوجود نمی آید ؛ به این حل شدن انحلال مولکولی می گویند .

ب)انحلال یونی : برخی از مواد نظیر   NaCl   ،  KNO3  ،  CuSO4 ،  HCL   و  NH3  پس از حل شدن در آب یونیزه می شوند ، یعنی در محلول یون به وجود می آید ؛ به این نوع حل شدن انحلال یونی گویند.

      در توضیح بیشتر می توان گفت هنگامیکه یک جامد یونی در آب که یک حلال قطبی است قرار می گیرد مولکول های آب از طرف قطب منفی خود یعنی اکسیژن به یون های مثبت و از طرف قطب مثبت خود یعنی هیدروژن به یون های منفی ماده حل شدنی نزدیک می شوند و آب پوشی یون ها صورت می پذیرد ؛ به این ترتیب بین مولکول های آب و یون ها نیروهای جاذبه ی الکتریکی از نوع برهم کنش یون-دوقطبی پدید می آید که همراه با تمایل برای رسیدن به حداکثر آنتروپی سبب از هم پاشیده شدن شبکه بلور جامد یونی و پراکنده شدن یون های آن درحلال می گردد .

      نیروهای جاذبه بین مولکول های آب و اغلب کاتیون های فلزی قوی می باشد . اغلب کاتیون های فلزی با عده ی معینی از مولکول های آب هیدراته می شوند . هیدراته شدن ( آبپوشی ) انحلال پذیری ترکیبات یونی درآب را افزایش می دهد . بیشتر کاتیون ها با 6 مولکول آب و برخی با 4 مولکول آب هیدراته می شوند و مولکول های آب به صورت خوشه ای از طرف سر منفی (اکسیژن ) کاتیون ها را احاطه می کنند .

تفاوت بارز این دو نوع محلول در این است که محلول یونی رسانایی الکتریکی دارد ( الکترولیت) ولی محلول مولکولی نارسانا است ( غیر الکترولیت ) .

      هر دو نوع محلول از نظر الکتریکی خنثی هستند ؛ در واقع در محلول های یونی نیز مجموع بارهای الکتریکی یون های مثبت و منفی برابر بوده و درنتیجه محلول از نظر الکتریکی خنثی است .

 

 نحوه ی تشخیص الکترولیت از غیرالکترولیت :

آ)غیر الکترولیت

 

ب)الکترولیت

   

 
   
 
   

 

 
 
 

 

 ١- اغلب مواد آلی ( البته به جز اسیدها یا بازهای آلی ) غیرالکترولیت هستند ، مانند متانول (  C2H5OH  ) ،اتانول(  CH3OH  ) ،شکر ، گلیسیرین و ... .

      در ضمن محلول ترکیبات مولکولی ناقطبی در آب یا حلال های دیگر محلول غیرالکترولیت محسوب می شود ، مانند محلول ید در آب یا محلول ید در کربن تتراکلرید .

2-اسید های قوی،بازهای قوی و اغلب نمک ها جزء الکترولیت های قوی هستند .مانند :

CaCL2 , KBr, NaOH , HCl

نکته :کلیه هیدروکسیدهای گروه های 1 و2 به جز  2 Be(OH) و  2 Mg(OH)  باز قوی محسوب می شوند . اسیدهای قوی عبارتند از :

HCLO4 , HCLO3 , H2SO4 , HNO3 , HI, HBr, HCL

3-الکترولیت های ضعیف شامل اسیدهای ضعیف و بازهای ضعیف هستند . مانند محلول های :

       CH3COOH (استیک اسید )) HCOOH , فرمیک اسید ( ، NH3 ، H2S ، HF

      توجه داشته باشید که واکنش حل شدن الکترولیت های ضعیف در آب را به صورت تمایلی نشان می دهند . زیرا در این حالت محلول علاوه بر مواد سمت راست ( یعنی یون ها ) مواد سمت چپ ( یعنی مولکول های حل شونده ) نیز وجود دارند و اتفاقاً غلظت مولکول های حل شونده از غلظت بون ها بیشتر است :

HF (aq)  D H-  (aq) + F-  (aq)

CH3 COOH (aq)  D  CH3 COO-  (aq) + H + (aq)

 

 

درصد تفکیک یونی و دامنه ی تغییرات آن :

درصد تفکیک یونی به کمک رابطه ی زیر تعریف می شود :

درصد تفکیک یونی ( a   ) =

 

گاه به جای تعداد مول ها از غلظت مولار هم می توان استفاده کرد.

نکته : تعدادکل مول های حل شونده برابر غلظت مولار ماده ی مورد نظراست . غلظت هریک از یون های حاصل از تفکیک یک ماده برابر تعداد مول های تفکیک شده ی آن است .

دامنه ی تغییرات درصد تفکیک یونی :

       با توجه به اینکه تفکیک یونی مواد به صورت درصد بیان می شود دامنه ی تغییرات آن بین 0 تا 100 است،  بدین ترتیب که :

اسید های قوی:

 
1- درالکترولیت های قوی درصد تفکیک یونی برابر 100% یا نزدیک آن است :

HCl , HBr , HI , HNO3  , H2 SO4  , HClO3  , HClO4    اسیدهای قوی

بازهای قوی :

LiOH , NaOH , KOH , RbOH , CsOH , Ca(OH)2  , Sr(OH)2  , Ba(OH)2

نمک هایی که از اسید قوی یا باز قوی یا هردو تشکیل شده اند :

NaCl , AgCl , KBr , RbI , BaSO4  , CuSO4

2- در غیرالکترولیت ها درصد تفکیک یونی برابر 0 است ، مانند اتانول ، متانول ، گلیسیرین و ... .

3-در الکترولیت های ضعیف درصد تفکیک یونی بین 0 تا 100 است که البته به 0 نیز نزدیک تر است ، مانند :

اسید های ضعیف:

بازهای ضعیف:

 
HF , H2S , HNO2  , H2 SO3  , CH3 COOH

Mg(OH) 2 , AgOH , NH4  , OH

نمک هایی که از اسید ضعیف یا باز ضعیف شتکیل شده اند :

MgSO3  , NH4 NO2  , CH3 COONH 4

نکته : شرایط الکترولیت بودن یک محلول با شرط رسانای جریان برق بودن تفاوت دارد . شرط الکترولیت بودن یک محلول این است که درصد تفکیک یونی آن بزرگ ( یعنی نزدیک 100% ) باشد ام شرط این که یک محلول رسانای قوی جریان برق باشد این است که :

اولاً : محلول باید الکترولیت باشد ،یعنی ماده ی حل شدنی به تمام یا قسمت عمده ای از آن به یون تفکیک شده باشد ؛ به بیان دیگر درصد تفکیک یونی بزرگ باشد.

ثانیاً : انحلال پذیری آن قابل توجه باشد تا غلظت یون ها برای عبور جریان برق به میزان کافی برسد .

 

 عوامل مؤثر بر درصد تفکیک یونی :

1)دما :با افزایش دما معمولاً درصد تفکیک یونی افزایش می یابد ، زیرا هرچه دما بالاتر باشد شکسته شدن پیوند و تشکیل یون ها آسان تر می گردد .

2)غلظت : با افزایش غلظت درصد تفکیک یونی کاهش می یابد ؛ به عبارت دیگر هرچه محلول الکترولیت رقیق تر باشد مقدار درصد تفکیک یونی بیشتر می شود . در الکترولیت های ضعیف بین درصد تفکیک یونی ( α   ) و غلظت مولی محلول (  M  ) رابطه ی زیر برقرار است :

M=K × 2α

در رابطه ی فوق و در دمای معین ،مقدار K عددی ثابت است. بنابراین هرچه M افزایش یابد ، مقدار α کم می شود .