انحلالپذیری: سفر مولکولها به درون حلال
انحلالپذیری چیست و چگونه اندازهگیری میشود؟
تصور کنید میخواهید برای مهمانان خود شربت آبلیمو درست کنید. اگر به یک لیوان آب، فقط یک قاشق شکر اضافه کنید، کاملاً حل میشود. اگر بهتدریج شکر بیشتری بریزید، باز هم حل میشود. اما جایی میرسد که دیگر شکر اضافه شده در ته لیوان تهنشین میشود و حل نمیگردد. به این حالت، محلول اشباع میگویند. انحلالپذیری در واقع همان مقدار شکر (حلشونده) است که برای تولید یک محلول اشباع در آن دمای خاص به کار رفته است.
انحلالپذیری را معمولاً به روشهای مختلف بیان میکنند. رایجترین روش، بیان آن بر حسب "گرم حلشونده در 100 گرم حلال" در یک دمای مشخص است. مثلاً انحلالپذیری نمک خوراکی (سدیم کلرید، $NaCl$) در آب در دمای 20 درجه سانتیگراد، حدود 36 گرم در 100 گرم آب است. یعنی اگر 100 گرم آب در 20 درجه داشته باشیم، حداکثر 36 گرم نمک میتوان در آن حل کرد.
عوامل کلیدی مؤثر بر مقدار انحلالپذیری
مقدار مادهای که در حلال حل میشود، ثابت نیست و به چند عامل مهم بستگی دارد:
1. ماهیت حلشونده و حلال (قانون «همانند، همانند را حل میکند»[7]): این مهمترین قاعده است. مواد قطبی[8] تمایل دارند در حلالهای قطبی حل شوند و مواد غیرقطبی[9] در حلالهای غیرقطبی. نمک و شکر (قطبی) بهخوبی در آب (حلال قطبی) حل میشوند. اما روغن (غیرقطبی) در آب حل نمیشود، زیرا مولکولهای آب جذب مولکولهای روغن نمیشوند. در عوض، روغن بهراحتی در نفت سفید (حلال غیرقطبی) حل میشود.
2. دما: اثر دما بر انحلالپذیری بستگی به نوع فرآیند انحلال دارد. در بیشتر موارد انحلال جامدات در مایعات (مانند شکر در آب)، با افزایش دما، انحلالپذیری افزایش مییابد. دلیلش این است که انرژی گرمایی، پیوندهای بین مولکولهای حلشونده را سستتر میکند و جنبش مولکولهای حلال را برای نفوذ به جامد بیشتر میکند. اما برای گازها در مایعات (مانند دیاکسیدکربن در آب)، افزایش دما معمولاً باعث کاهش انحلالپذیری میشود. به همین خاطر است که وقتی یک نوشابه گازدار گرم را باز میکنیم، گاز بسیار سریعتر و با شدت بیشتری خارج میشود.
| حلشونده (در آب) | انحلالپذیری در 0°C (گرم در 100 گرم آب) | انحلالپذیری در 100°C (گرم در 100 گرم آب) | تأثیر دما |
|---|---|---|---|
| نیترات پتاسیم $(KNO_3)$ | 13 | 246 | افزایش شدید |
| کلرید سدیم $(NaCl)$ | 35.7 | 39.1 | افزایش جزئی |
| اکسیژن گازی $(O_2)$ | 0.007 | 0.001 | کاهش |
3. فشار: فشار تأثیر چشمگیری بر انحلالپذیری جامدات و مایعات ندارد، زیرا این مواد تقریباً تراکمناپذیر هستند. اما برای گازها در مایعات، رابطهای مستقیم و مهم وجود دارد. قانون هنری[10] میگوید: در دمای ثابت، میزان گاز حلشده در یک مایع با فشار جزئی[11] آن گاز در بالای مایع نسبت مستقیم دارد. این همان اصل کار نوشابههای گازدار است. دیاکسیدکربن تحت فشار بالا در نوشابه حل میشود. وقتی در بطری را باز میکنیم، فشار کاهش مییابد و گاز از محلول خارج میشود (به شکل حباب).
در این فرمول، $C$ غلظت گاز حلشده، $k_H$ ثابت هنری (وابسته به دما و نوع گاز و حلال)، و $P_{gas}$ فشار جزئی گاز است.
از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای انحلالپذیری
مفهوم انحلالپذیری تنها یک موضوع کتابی نیست، بلکه نقش پررنگی در زندگی و صنعت ما دارد:
• تصفیهٔ آب و نمکزدایی: در مناطق خشک، آب دریا را با استفاده از روشهایی مانند تبخیر ناگهانی چندمرحلهای[12] شیرین میکنند. در این روش، با کاهش فشار، آب دریا در دمای پایینتری به جوش میآید و بخار میشود. نمکهای محلول (که انحلالپذیری بالایی دارند) در ظرف باقی میمانند و آب تقطیرشدهٔ خالص بهدست میآید.
• تولید دارو و شربتها: بسیاری از داروها به شکل محلول هستند. داروسازان باید اطمینان حاصل کنند که مادهٔ مؤثر دارو (حلشونده) به میزان کافی در حلال (مثلاً آب مقطر یا الکل) حل میشود تا دوز صحیحی در هر قاشق یا میلیلیتر از شربت وجود داشته باشد. کنترل دما در این فرآیند حیاتی است.
• صنایع غذایی: هنگام درست کردن مربا، از مقدار زیادی شکر استفاده میشود. با حرارت دادن میوه و شکر، انحلالپذیری شکر در آبِ میوه بسیار افزایش مییابد و یک شربت غلیظ تشکیل میشود. وقتی این مربا سرد میشود، محلول فوقاشباع میشود (یعنی بیش از حد معمول در دمای پایین، حلشونده دارد). اگر بلورسازی[13] اتفاق بیفتد، مربا شکرک میزند. برای جلوگیری از این، پکتین[14] اضافه میکنند که مانع تشکیل بلورهای درشت شکر میشود.
• اکوسیستمهای آبی: زندگی ماهیها و موجودات آبزی به حلشدن اکسیژن گازی در آب وابسته است. انحلالپذیری اکسیژن در آب سرد بیشتر از آب گرم است. به همین دلیل، در روزهای گرم تابستان که سطح آب گرم میشود، ممکن است ماهیها به سطح آب بیایند تا از اکسیژن بیشتری استفاده کنند. آلودگیهای حرارتی ناشی از ورود آبهای گرم صنعتی به رودخانهها نیز با کاهش انحلالپذیری اکسیژن، حیات آبزیان را تهدید میکند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
[1] انحلالپذیری (Solubility)
[2] حلشونده (Solute)
[3] حلال (Solvent)
[4] محلول (Solution)
[5] محلول اشباع (Saturated Solution)
[6] محلول فوقاشباع (Supersaturated Solution)
[7] قانون «همانند، همانند را حل میکند» ("Like dissolves like")
[8] قطبی (Polar)
[9] غیرقطبی (Nonpolar)
[10] قانون هنری (Henry's Law)
[11] فشار جزئی (Partial Pressure)
[12] تبخیر ناگهانی چندمرحلهای (Multi-Stage Flash Distillation)
[13] بلورسازی (Crystallization)
[14] پکتین (Pectin)
[15] هستهزنی (Nucleation)
