اشباع در شیمی: وقتی حلال دیگر جایی ندارد!
اشباع چیست و چطور آن را بفهمیم؟
فرض کنید یک لیوان آب دارید و مشغول اضافه کردن نمک طعام به آن هستید. در ابتدا، نمک به راحتی در آب ناپدید میشود. اما اگر به اضافه کردن ادامه دهید، نقطهای میرسد که دیگر نمک اضافهشده حل نمیشود و ذرات آن در ته لیوان جمع میشوند. این نقطه، نقطهی اشباع است. به محلولی که در این شرایط داریم، محلول اشباع2 میگویند. یعنی حلال (آب) به حداکثر ظرفیت خود برای حل کردن حلشونده (نمک) در دمای معمولی رسیده است.
یک راه ساده برای تشخیص محلول اشباع این است: اگر مقداری از همان حلشونده را به محلول اضافه کنیم و پس از همزدن نیز حل نشود و به صورت جامد باقی بماند، محلول اشباع است. این پدیده فقط برای نمک و آب نیست. شکر در چای، پودر ژله در آب گرم و حتی گاز کربن دیاکسید در نوشابه، همگی میتوانند به حالت اشباع برسند.
چه چیزی بر نقطه اشباع تأثیر میگذارد؟
میزان مادهای که یک حلال میتواند در خود حل کند تا به اشباع برسد، ثابت نیست. دو عامل مهم روی آن تأثیر میگذارند:
| عامل | تأثیر بر نقطه اشباع | مثال ملموس |
|---|---|---|
| دما | برای اغلب جامدات، با افزایش دما، حلال میتواند مقدار بیشتری از حلشونده را در خود حل کند (نقطه اشباع بالاتر میرود). | حل کردن شکر در آب گرم برای درست کردن شربت، آسانتر از آب سرد است. در آب گرم شکر بیشتری حل میشود تا به اشباع برسد. |
| نوع ماده | حلالیت مواد مختلف در یک حلال خاص، کاملاً متفاوت است. هر ماده نقطه اشباع مخصوص به خود دارد. | در یک لیوان آب، میتوان مقدار خیلی بیشتری شکر نسبت به نمک حل کرد تا به اشباع برسد. نقطه اشباع شکر در آب بالاتر است. |
| حجم حلال | هرچه مقدار حلال بیشتر باشد، مقدار بیشتری از حلشونده برای رسیدن به اشباع نیاز است. | برای اشباع کردن یک قابلمه آب با نمک، به نمک بسیار بیشتری نسبت به یک استکان آب نیاز داریم. |
نکته جالب در مورد گازها برعکس جامدات است. مثلاً در نوشابه، گاز کربن دیاکسید در دمای پایین و تحت فشار، بهتر در آب حل میشود. اگر در نوشابه را باز کنید (فشار کم شود) یا آن را گرم کنید، گاز از حالت اشباع خارج شده و به صورت حباب خارج میشود (نوشابه «بادش» میکند).
از اشباع تا کریستالهای رنگارنگ
حالت اشباع فقط یک مفهوم تئوری نیست، بلکه کاربردهای عملی و زیبایی دارد. یکی از جذابترین این کاربردها، کریستالسازی3 یا بلورسازی است. فرض کنید یک محلول اشباع از شکر در آب گرم داریم. اگر این محلول را به آرامی سرد کنیم یا اجازه دهیم آب آن به مرور تبخیر شود، از آنجایی که آب دیگر نمیتواند آن همه شکر را در دمای پایینتر در خود نگه دارد، شکر اضافی به صورت بلورهای منظم و زیبا از محلول خارج میشود.
این دقیقاً روش درست کردن آبنباتهای چوبی بلوری یا حتی بلورهای آلوم (زاج) در آزمایشگاه مدرسه است. شما با تهیه یک محلول فرااشباع (محلولی که مقدار حلشونده در آن بیش از حالت عادی اشباع است، معمولاً با گرم کردن به دست میآید) و سپس سرد کردن آرام آن، فرصت شکلگیری بلورهای درشت و زیبا را فراهم میکنید.
پرسشهای رایج درباره اشباع
پاسخ: خیر، این دو مفهوم متفاوت هستند. غلیظ صفتی نسبی است و به محلولی گفته میشود که مقدار نسبتاً زیادی حلشونده در حلال دارد. اما اشباع یک حالت خاص و مطلق است. یک محلول شکر ممکن است غلیظ باشد اما هنوز ظرفیت حل کردن شکر بیشتری را داشته باشد (اشباع نباشد). برعکس، یک محلول نمک ممکن است خیلی غلیظ به نظر نرسد اما در دمای اتاق کاملاً اشباع باشد و نتوان به آن نمک بیشتری اضافه کرد. اشباع به حداکثر ظرفیت حل کردن در شرایط مشخص دما و فشار اشاره دارد.
پاسخ: محلول از حالت اشباع خارج میشود و به یک محلول غیراشباع4 تبدیل میشود. چون با اضافه کردن حلال (مثلاً آب بیشتر)، ظرفیت حل کردن سیستم افزایش یافته و دوباره میتوان حلشوندهی بیشتری به آن اضافه کرد تا دوباره به نقطه اشباع جدید برسد.
پاسخ: بله، دانشمندان برای هر ماده در یک حلال خاص و در دمای معین، عددی به نام حلالیت5 تعریف میکنند. حلالیت نشان میدهد حداکثر چه مقدار از یک ماده (بر حسب گرم) میتواند در 100 گرم از حلال حل شود تا محلول اشباع به دست آید. این عدد را میتوان مانند یک فرمول ساده در نظر گرفت. به طور مثال حلالیت نمک طعام در آب در دمای 20 درجه سانتیگراد حدود 36 گرم در 100 میلیلیتر آب است. یعنی: $حلالیت = \frac{جرم\ حلشونده\ (گرم)}{جرم\ حلال\ (گرم)} \times 100$. وقتی غلظت محلول به این مقدار برسد، محلول اشباع است.
پاورقی
1اشباع (Saturation): حالتی که در آن، حلال در شرایط معین دما و فشار، دیگر نمیتواند مقدار بیشتری از حلشونده را در خود حل کند.
2محلول اشباع (Saturated Solution): محلولی که در دمای معین، حاوی حداکثر مقدار ممکن از حلشونده باشد.
3کریستالسازی (Crystallization): فرآیند تشکیل جامدات منظم (بلورها) از یک محلول معمولاً هنگام خروج از حالت اشباع یا فرااشباع.
4محلول غیراشباع (Unsaturated Solution): محلولی که مقدار حلشونده در آن کمتر از حد اشباع است و میتوان مقدار بیشتری از حلشونده را در آن حل کرد.
5حلالیت (Solubility): معیار سنجش مقدار مادهای که میتواند در مقدار مشخصی از حلال حل شود تا به اشباع برسد. معمولاً بر حسب گرم حلشونده در 100 گرم حلال بیان میشود.
