حلالیت: سفر مولکولها برای تشکیل یک محلول
محلول، حلال و حلشونده: سه بازیگر اصلی
وقتی شکر را در یک لیوان چای هم میزنیم و ناپدید میشود، در واقع یک محلول ساختهایم. در این صحنه، حلال (چای) مادهای است که حجم بیشتری دارد و حلشونده (شکر) مادهای است که در آن حل میشود. نتیجه یک مخلوط یکنواخت و همگن است که در آن ذرات حلشونده به طور یکسان در سرتاسر حلال پخش شدهاند.
نکته جالب این است که حلال و حلشونده همیشه مایع و جامد نیستند. آنها میتوانند در هر سه حالت ماده باشند. هوای مرطوب نمونهای از انحلال یک مایع (آب) در یک گاز (هوا) است.
| محلول (مثال ملموس) | حلال | حلشونده | نوع انحلال |
|---|---|---|---|
| چای شیرین | چای (مایع) | شکر (جامد) | جامد در مایع |
| نوشابه گازدار | آب (مایع) | دیاکسید کربن (گاز) | گاز در مایع |
| سرکه (محلول رقیق) | آب (مایع) | استیک اسید (مایع) | مایع در مایع |
| هوای خشک | نیتروژن (گاز) | اکسیژن (گاز) | گاز در گاز |
میزان حلالیت: از محلول سیرنشده تا فوقاشباع
حلالیت یک عدد ثابت نیست. بگذارید با یک آزمایش فکری این موضوع را بررسی کنیم: یک لیوان آب بردارید و شروع به افزودن نمک طعام به آن کنید. در ابتدا همه نمکها به سرعت حل میشوند. این یک محلول سیرنشده است، زیرا میتوانیم باز هم نمک به آن اضافه کنیم و حل شود.
اگر به اضافه کردن نمک ادامه دهیم، نقطهای میرسد که دیگر نمکی اضافه شده در کف لیوان باقی میماند و حل نمیشود. به این نقطه، نقطه اشباع میگویند. در این دما، آب به حداکثر توانایی خود برای حل کردن نمک رسیده است و ما یک محلول اشباع داریم. حلالیت در واقع همان غلظت محلول در این نقطه اشباع است که معمولاً به صورت گرم حلشونده در 100 گرم (یا میلیلیتر) حلال بیان میشود.
عوامل کلیدی کنترلکننده حلالیت
چرا شکر در آب حل میشود ولی روغن مایع نه؟ چرا با گرم کردن آب، نمک بیشتری در آن حل میشود؟ پاسخ این پرسشها در عواملی است که بر حلالیت اثر میگذارند.
| عامل | تأثیر بر حلالیت | مثال ملموس |
|---|---|---|
| قطبیت شیمیایی (مهمترین عامل) | مواد قطبی در حلالهای قطبی و مواد غیرقطبی در حلالهای غیرقطبی حل میشوند. "شبیه، شبیه را در خود حل میکند". | نمک (قطبی) در آب (قطبی) حل میشود، اما روغن (غیرقطبی) در آب حل نمیشود. الکل و آب که هر دو قطبی هستند، به هر نسبتی در هم حل میشوند (امتزاجپذیرند). |
| دما | برای بیشتر جامدات و مایعات، افزایش دما باعث افزایش حلالیت میشود. برای گازها در مایعات، افزایش دما معمولاً حلالیت را کاهش میدهد. | حل کردن شکر در چای داغ آسانتر از آب سرد است. با گرم کردن نوشابه گازدار، گاز دیاکسید کربن از آن خارج میشود (حلالیت گاز کم میشود). |
| فشار | بر حلالیت جامدات و مایعات تأثیر محسوسی ندارد. حلالیت یک گاز در یک مایع با افزایش فشار گاز، افزایش مییابد. | نوشابههای گازدار تحت فشار بالای دیاکسید کربن بستهبندی میشوند تا گاز زیادی در آن حل شود. با باز کردن درب، فشار کاهش یافته و گاز به شکل حباب خارج میشود. |
کاربردهای حلالیت در زندگی و طبیعت
حلالیت تنها یک مفهوم کتابی نیست. نقش حیاتی در اطراف ما بازی میکند:
- تنفس آبزیان: ماهیها از طریق آبششهای خود اکسیژن محلول در آب را جذب میکنند. اگر به دلیل گرم شدن آب (کاهش حلالیت گازها) یا آلودگی، مقدار اکسیژن محلول در آب کم شود، زندگی آبزیان به خطر میافتد.
- پختوپز و آمادهسازی غذا: وقتی نمک و ادویهها را در آبِ در حال جوش غذا میریزیم، از افزایش حلالیت با دما استفاده میکنیم تا طعمها به خوبی پخش شوند. درست کردن شربت غلیظ نیز بر پایه حل کردن مقادیر زیاد شکر در آب گرم است.
- تصفیه آب و داروسازی: بسیاری از فرآیندهای تصفیه بر اساس انحلال و جداسازی مواد انجام میشود. همچنین، ساخت داروها اغلب نیازمند حل کردن مواد مؤثر در حلال مناسب برای جذب بهتر در بدن است.
پرسشهای رایج درباره حلالیت
پاسخ: خیر. هم زدن فقط سرعت انحلال را افزایش میدهد. مولکولهای حلشونده را با حلال تازه تماس میدهد و سریعتر به حالت تعادل میرساند، اما میزان حلالیت نهایی (مقداری که در نقطه اشباع حل میشود) را تغییر نمیدهد. اگر از حد اشباع بگذرید، اضافه آن حتی با هم زدن هم حل نمیشود و رسوب میکند.
پاسخ: خیر. این بستگی به قطبیت آنها دارد. مایعاتی که در همه نسبتها کاملاً با هم مخلوط میشوند (مانند الکل و آب) امتزاجپذیر[1] نامیده میشوند. در مقابل، مایعاتی مانند روغن و آب غیرامتزاجپذیر هستند و پس از به هم زدن نیز دو لایه مجزا تشکیل میدهند، زیرا روغن غیرقطبی و آب قطبی است.
پاسخ: حلالیت معمولاً به صورت جرم حلشونده (بر حسب گرم) که میتواند در 100 گرم (یا میلیلیتر) از یک حلال خاص، در دمای معین حل شود، بیان میگردد. مثلاً گفته میشود حلالیت نمک طعام در آب در دمای 20 درجه سلسیوس، حدود 36 گرم در 100 میلیلیتر آب است.
پاورقی
[1]امتزاجپذیر (Miscible): به دو یا چند مایع گفته میشود که در همهٔ نسبتها کاملاً در یکدیگر حل شده و یک فاز واحد تشکیل میدهند.
[2]قطبیت (Polarity): یک ویژگی مولکولی که به دلیل توزیع نابرابر بار الکتریکی در مولکول ایجاد میشود و باعث میگردد یک سر مولکول کمی مثبت و سر دیگر کمی منفی باشد.
[3]محلول اشباع (Saturated Solution): محلولی که در یک دمای معین، حداکثر مقدار ممکن از حلشونده را در خود حل کرده باشد و افزودن مقدار بیشتری از حلشونده منجر به رسوب آن شود.
[4]حلشونده (Solute): مادهای که در یک محلول، به مقدار کمتر وجود دارد و در حلال حل میشود.
[5]حلال (Solvent): مادهای که در یک محلول، جزء اصلی را تشکیل میدهد و حلشونده در آن حل میشود.
