نمودار انحلالپذیری: نقشهای از تغییرات با دما
انحلالپذیری چیست و چگونه اندازهگیری میشود؟
پیش از پرداختن به نمودار، باید بدانیم انحلالپذیری به چه معناست. وقتی مقداری شکر را در یک لیوان آب میریزیم و هم میزنیم، شکر ناپدید میشود. در واقع، ذرات شکر در بین مولکولهای آب پخش شده و یک محلول یکنواخت تشکیل میدهند. اما آیا میتوانیم بینهایت شکر در همان لیوان آب حل کنیم؟ خیر. در یک دمای مشخص، نقطهای میرسد که دیگر شکر اضافی حل نمیشود و در ته لیوان رسوب میکند. به چنین محلولی، محلول اشباع3 میگویند.
انحلالپذیری، دقیقاً همان بیشترین مقدار از یک ماده (بهصورت گرم) است که در 100 گرم از یک حلال (معمولاً آب) در یک دمای مشخص حل میشود و محلول اشباع بهدست میآید. واحد آن g/100g water است. برای مثال، انحلالپذیری نمک خوراکی (سدیم کلرید، $NaCl$) در دمای 20 درجه سلسیوس، حدود 36 گرم است. یعنی در این دما، حداکثر 36 گرم نمک در 100 گرم آب میتواند حل شود.
خواندن و تفسیر یک نمودار انحلالپذیری
نمودار انحلالپذیری یک گراف دو بعدی است. محور افقی (ایکس) معمولاً دما را بر حسب درجه سلسیوس (°C) و محور عمودی (وای) انحلالپذیری را بر حسب گرم در 100 گرم آب نشان میدهد. هر ماده شیمیایی یک منحنی (خط) مخصوص به خود روی این نمودار دارد. با دنبال کردن این منحنی میتوان فهمید انحلالپذیری آن ماده با افزایش یا کاهش دما چگونه تغییر میکند.
مثال: فرض کنید روی نمودار به دنبال منحنی پتاسیم نیترات ($KNO_3$) هستیم. برای فهمیدن انحلالپذیری آن در 50°C، ابتدا از محور دما، عدد 50 را پیدا کرده، عمود بر آن به سمت بالا میرویم تا به منحنی $KNO_3$ برسیم. سپس از آن نقطه به چپ (به سمت محور انحلالپذیری) میرویم تا عدد مربوطه خوانده شود. این عدد حدود 85 g/100g water است.
| نام ماده (فرمول) | انحلالپذیری در 0°C (g/100g آب) | انحلالپذیری در 50°C (g/100g آب) | انحلالپذیری در 100°C (g/100g آب) | رفتار کلی با دما |
|---|---|---|---|---|
| پتاسیم نیترات ($KNO_3$) | 13 | 85 | 246 | افزایش شدید |
| سدیم کلرید ($NaCl$) | 35.7 | 37.0 | 39.8 | افزایش جزئی |
| سریم (III) سولفات ($Ce_2(SO_4)_3$) | 24.2 | 10.5 | ~5 | کاهش |
| اکسیژن گازی ($O_2$) | 0.0069 | 0.0027 | 0.000 | کاهش شدید |
چرا نمودارها شکلهای مختلفی دارند؟ (انحلال گرماده و گرماگیر)
همانطور که در جدول بالا دیدیم، برخی مواد مانند پتاسیم نیترات با گرم شدن آب، بسیار بهتر حل میشوند (منحنی با شیب تند به سمت بالا). برخی مانند نمک خوراکی تغییر کمی دارند و عدهای مانند گاز اکسیژن یا برخی نمکهای خاص، با افزایش دما کمتر حل میشوند (منحنی نزولی). دلیل این تفاوت به انرژی تبادلشده در فرآیند حل شدن برمیگردد.
حل شدن یک فرآیند فیزیکی است که میتواند همراه با جذب گرما از محیط (گرماگیر5) یا آزاد کردن گرما به محیط (گرماده6) باشد. به این انرژی، گرمای حل شدن4 میگویند.
- مواد با انحلال گرماگیر: برای حل شدن نیاز به جذب انرژی (گرما) دارند. مانند پتاسیم نیترات. وقتی به چنین موادی گرما بدهیم (دمای آب را بالا ببریم)، شرایط برای حل شدن بهتر فراهم میشود. در نتیجه انحلالپذیری با افزایش دما به شدت افزایش مییابد.
- مواد با انحلال گرماده: هنگام حل شدن گرما آزاد میکنند. مانند هیدروکسید سدیم (سود سوزآور) یا گازها مانند اکسیژن. بر اساس اصل لوشاتلیه، اگر به سیستمی که گرما آزاد میکند، گرمای بیشتری بدهیم (دمای آب را بالا ببریم)، سیستم سعی میکند با کاهش فرآیند حل شدن، با این تغییر مقابله کند. بنابراین انحلالپذیری این مواد با افزایش دما کاهش مییابد.
کاربردهای نمودار انحلالپذیری: از آشپزخانه تا صنعت
این نمودار فقط یک ابزار تئوری در کتابهای شیمی نیست، بلکه کاربردهای عملی فراوانی دارد.
۱. تبلور و خالصسازی: یکی از مهمترین کاربردها، جدا کردن و خالصسازی مواد است. فرض کنید مخلوطی از پتاسیم نیترات و نمک خوراکی داریم. با نگاه به نمودار میبینیم انحلالپذیری پتاسیم نیترات نسبت به دما بسیار حساس است، اما نمک خوراکی نه. بنابراین میتوانیم مخلوط را در آب داغ حل کنیم تا محلول اشباعی از هر دو ایجاد شود. سپس با سرد کردن آرام محلول، ابتدا پتاسیم نیترات (که در دمای پایین انحلالپذیری کمی دارد) به صورت بلورهای خالص از محلول خارج میشود، در حالی که نمک خوراکی همچنان در محلول باقی میماند. به این فرآیند، تبلور7 میگویند.
۲. تهیهٔ محلولهای اشباع و فوق اشباع: با کمک نمودار میتوان دقیقاً محاسبه کرد برای تهیه یک محلول اشباع در دمای معین، چه مقدار ماده لازم است. همچنین اگر یک محلول اشباع داغ را به آرامی و بدون ایجاد اغتشاش سرد کنیم، ممکن است موقتاً محلولی بهدست آید که بیش از حد اشباع است (محلول فوق اشباع8). این محلولها ناپایدار هستند و با اضافه کردن یک بلور کوچک (دانهگذاری) بلافاصله تبلور اتفاق میافتد.
۳. مثال عینی: تولید شکر از چغندر قند یا نیشکر: در کارخانههای قند، عصارهٔ شیرین حاوی شکر (ساکارز) و ناخالصیها است. با استفاده از اصول انحلالپذیری و تبخیر آب در خلأ (دمای پایینتر) محلول را غلیظ و سپس سرد میکنند تا بلورهای شکر خالص از آن جدا شوند.
۴. زندگی آبزیان: انحلال گاز اکسیژن در آب با افزایش دما کاهش مییابد. به همین دلیل در روزهای گرم تابستان، ممکن است آب رودخانهها و دریاچهها اکسیژن کمتری داشته باشد و این امر زندگی ماهیها را تهدید میکند. این یک مثال مهم از تأثیر دما بر انحلال گازهاست.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
- زیر منحنی (مثلاً نقطهای با دما 30°C و انحلالپذیری 20 g برای $KNO_3$): نشاندهندهٔ یک محلول غیراشباع9 است. یعنی در آن دما، میتوان مقدار بیشتری از ماده را در آب حل کرد تا به خط منحنی برسیم.
- روی منحنی: نشاندهندهٔ محلول اشباع3 است.
- بالای منحنی (مثلاً نقطهای با دما 30°C و انحلالپذیری 50 g برای $KNO_3$): این نقطه از نظر تئوری پایدار نیست. یا نشاندهندهٔ یک محلول فوق اشباع8 (ناپایدار) است که ممکن است با کوچکترین اختلالی تبلور کند، یا به سادگی میتوان گفت در شرایط تعادلی، مقداری از ماده به صورت رسوب وجود خواهد داشت و محلول روی رسوب، اشباع است.
پاورقی
1حلالیت (Solubility): حداکثر مقدار یک ماده (بهصورت گرم) که در ۱۰۰ گرم حلال در دمای معین حل میشود و محلول اشباع میسازد.
2نمودار انحلالپذیری (Solubility Curve): نموداری که تغییرات انحلالپذیری یک ماده را بر حسب دما نشان میدهد.
3محلول اشباع (Saturated Solution): محلولی که در دمای معین، حداکثر مقدار ممکن از مادهٔ حلشونده را در خود دارد و ذرات اضافی در آن حل نمیشوند.
4گرمای حل شدن (Heat of Solution): تغییر آنتالپی (انرژی گرمایی) هنگامی که یک مول از ماده در مقدار زیادی حلال حل میشود.
5گرماگیر (Endothermic): فرآیندی که در آن سیستم از محیط اطراف گرما جذب میکند.
6گرماده (Exothermic): فرآیندی که در آن سیستم به محیط اطراف گرما آزاد میکند.
7تبلور (Crystallization): فرآیند تشکیل بلورهای جامد از یک محلول فوقاشباع یا مذاب.
8محلول فوق اشباع (Supersaturated Solution): محلولی که در دمای معین، مقدار مادهٔ حلشونده در آن بیش از حد انحلالپذیری تعادلی است. این محلولها ناپایدار هستند.
9محلول غیراشباع (Unsaturated Solution): محلولی که در دمای معین، مقدار مادهٔ حلشونده در آن کمتر از حد انحلالپذیری است و میتوان مادهٔ بیشتری در آن حل کرد.
