محلول مولکولی: مایعات اسرارآمیزی که جریان برق را دوست ندارند!
محلول چیست و چگونه طبقهبندی میشود؟
برای شروع، باید بدانیم محلول۳ چیست. یک محلول مخلوطی همگن و شفاف از دو یا چند ماده است. به مادهای که حل میشود، ماده حلشونده۴ و به مادهای که حل کردن را انجام میدهد، حلال۵ میگویند. مثلاً وقتی شکر را در آب هم میزنیم، شکر حلشونده و آب حلال است و نتیجه، یک محلول شکر در آب میشود.
حالا محلولها را میتوان بر اساس نوع ذرات حلشونده به دو دستهٔ اصلی تقسیم کرد:
| نوع محلول | ذرات حلشونده | نمونههای آشنا | رسانایی الکتریکی |
|---|---|---|---|
| محلول مولکولی | مولکولهای خنثی (بدون بار) | آبشکر، الکل در آب، محلول اکسیژن در آب (آبجوی) | غیررسانا |
| محلول یونی۶ | یونهای مثبت و منفی (دارای بار) | آبنمک، آبلیمو (حاوی اسید سیتریک) | رسانا |
مولکول خنثی چیست؟ کلید درک محلول مولکولی
تمام مواد از ذرات ریزی به نام اتم۷ ساخته شدهاند. وقتی دو یا چند اتم با پیوندهای شیمیایی به هم متصل میشوند، یک مولکول۸ تشکیل میدهند. در بسیاری از مواد مانند شکر ($C_{12}H_{22}O_{11}$) یا الکل ($C_{2}H_{5}OH$)، این اتمها الکترونهای خود را به اشتراک میگذارند تا به حالت پایدار برسند. نتیجه تشکیل یک مولکول با بار الکتریکی کلی صفر است. به چنین مولکولی مولکول خنثی میگویند.
وقتی این مولکولهای خنثی در یک حلال مناسب (مانند آب) حل میشوند، باز هم به صورت ذرات خنثی و بدون بار در مخلوط پخش میشوند. آنها به یون تجزیه نمیشوند. این همان اتفاقی است که در یک محلول مولکولی رخ میدهد.
چرا محلول مولکولی برق را عبور نمیدهد؟
رسانایی الکتریکی در یک مایع نیاز به وجود حاملهای بار متحرک دارد. این حاملهای بار، معمولاً ذرات باردار مثبت و منفی (یونها) هستند که آزادانه در محلول حرکت میکنند و بار الکتریکی را جابهجا میکنند.
از آنجایی که در یک محلول مولکولی، ذرات حلشونده مولکولهای خنثی و بدون بار هستند، هیچ حامل بار متحرکی برای انتقال جریان الکتریکی وجود ندارد. تصور کنید میخواهید یک توپ (بار الکتریکی) را در زمینی پر از تکههای چوب خنثی (مولکولها) حرکت دهید. تکههای چوب نمیتوانند توپ را جابهجا کنند. محلول مولکولی دقیقاً مانند این زمین است.
در مقابل، در یک محلول یونی مانند آبنمک، نمک ($NaCl$) در آب به یونهای مثبت سدیم ($Na^+$) و یونهای منفی کلرید ($Cl^-$) تجزیه میشود. این یونهای باردار، حاملهای جریان هستند.
محلولهای مولکولی در زندگی ما: از آشپزخانه تا طبیعت
این محلولها همهجا هستند! بیایید به چند نمونهٔ ملموس نگاهی بیندازیم:
۱. نوشیدنیهای شیرین: وقتی شکر یا شیرینکنندههای مصنوعی را در چای یا آب حل میکنید، یک محلول مولکولی درست کردهاید. اگر سیمهای یک مدار ساده با باتری و لامپ را داخل آن فرو ببرید، لامپ روشن نمیشود.
۲. ضدعفونیکنندهها: الکل طبی (اتانول) یک مادهٔ مولکولی است. محلول الکل و آب برای ضدعفونی کردن استفاده میشود و رسانای برق نیست. به همین دلیل استفاده از آن روی وسایل الکترونیکی (با احتیاط) نسبت به آبِ خالی ایمنتر است، زیرا آب ممکن است ناخالصیهای یونی داشته باشد.
۳. تنفس ماهیها: اکسیژن موجود در آب دریاچه یا آکواریوم، یک گاز مولکولی ($O_2$) است که در آب حل شده و یک محلول مولکولی تشکیل داده است. ماهیها این اکسیژن محلول را توسط آبششهای خود از آب میگیرند.
۴. سرکه (با احتیاط): سرکه معمولی اغلب به عنوان یک اسید ضعیف شناخته میشود که مقداری یون میسازد. اما سرکه خالص (اسید استیک غلیظ) یک مایع مولکولی است. سرکه رقیق شدهای که ما استفاده میکنیم، به دلیل حل شدن در آب مقداری یون دارد و بسیار ضعیف رسانا است، ولی شکر کاملاً غیررسانا است.
آزمایش ساده: تشخیص محلول مولکولی از یونی در خانه
میتوانی یک آزمایش جالب با وسایل ساده انجام دهی. یک مدار الکتریکی ساده با یک باتری 9V، یک لامپ کوچک (یا الئیدی) و دو سیم که انتهای آنها آزاد است (به عنوان پروب) درست کن. انتهای سیمها را در فاصلهای کمی از هم داخل محلول مورد آزمایش قرار بده.
| محلول آزمایش | نوع محلول (پیشبینی) | نتیجه (روشن شدن لامپ) | توضیح |
|---|---|---|---|
| آب مقطر | مولکولی (خالص) | خاموش | فقط مولکولهای $H_2O$ خنثی وجود دارد. |
| آبشکر غلیظ | مولکولی | خاموش | مولکولهای خنثی شکر مانع جریان میشوند. |
| آبنمک | یونی | روشن (ضعیف یا قوی) | یونهای $Na^+$ و $Cl^-$ بار را منتقل میکنند. |
| آب لولهکشی | مخلوط (غالباً یونی) | ممکن است روشن شود | حاوی ناخالصیهای معدنی و نمکهای یونی است. |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. این یک اشتباه رایج است. نوع محلول بستگی به ماهیت مادهٔ حلشونده دارد. شکر یک ترکیب مولکولی است و محلول مولکولی میسازد. اما نمک خوراکی یک ترکیب یونی است و در آب، محلول یونی میسازد. پس حلال تعیینکننده نیست، خود ماده حلشونده است که نوع محلول را مشخص میکند.
پاسخ: به طور کلی و در سطح درسی پایهٔ نهم، بله. محلول مولکولی خالص (مانند آب مقطر کاملاً خالص یا آبشکر) رسانای الکتریسیته نیست. اما باید توجه کرد که اگر کوچکترین ناخالصی یونی (مثلاً کمی نمک) در آن وجود داشته باشد، میتواند بسیار ضعیف رسانا شود. در آزمایشهای دقیق علمی از آب فوقخالص استفاده میکنند که رسانایی آن نزدیک به صفر است.
پاسخ: این پرسش بسیار خوبی است. رسانایی الکتریکی به وجود ذرات باردار و آزاد در محلول بستگی دارد. سوختن الکل یک واکنش شیمیایی بین مولکولهای الکل و اکسیژن هوا است که گرما و نور تولید میکند، اما این واکنش، بار الکتریکی به مولکولهای الکل نمیدهد. مولکولهای الکل چه در حالت خالص و چه در محلول، خنثی هستند. پس رسانایی و سوختن دو ویژگی جداگانه و مستقل از هم هستند.
پاورقی
۱مولکول خنثی (Neutral Molecule): مولکولی که بار الکتریکی کلی آن صفر است؛ زیرا تعداد پروتونها (بار مثبت) و الکترونها (بار منفی) در آن برابر است.
۲رسانای جریان الکتریکی (Electrical Conductor): مادهای که اجازه میدهد بارهای الکتریکی (معمولاً به صورت الکترون یا یون) به آسانی از داخل آن حرکت کنند.
۳محلول (Solution): مخلوطی همگن از دو یا چند ماده که ذرات آن در سطح مولکولی یا یونی با یکدیگر مخلوط شدهاند.
۴ماده حلشونده (Solute): مادهای که در یک حلال حل میشود و مقدار آن معمولاً کمتر است.
۵حلال (Solvent): مادهای که مادهٔ حلشونده را در خود حل میکند و بخش عمدهٔ محلول را تشکیل میدهد (مانند آب در بسیاری از محلولها).
۶محلول یونی (Ionic Solution): محلولی که در آن مادهٔ حلشونده به صورت یونهای مثبت و منفی در آمده است.
۷اتم (Atom): کوچکترین واحد تشکیلدهندهٔ یک عنصر شیمیایی که ویژگیهای آن عنصر را حفظ میکند.
۸مولکول (Molecule): کوچکترین ذرهٔ یک مادهٔ شیمیایی خالص که از دو یا چند اتم به هم پیوسته تشکیل شده و میتواند به تنهایی وجود داشته باشد.
