نمودار حلالیت؛ نقشهٔ ارتباط دما و محلولها
حلالیت چیست و چگونه اندازهگیری میشود؟
تصور کن میخواهی برای مهمانی شربت درست کنی. اگر یک قاشق شکر را در یک لیوان آب سرد بریزی، حل میشود. اگر قاشق دوم را هم اضافه کنی، باز هم احتمالاً حل میشود. اما اگر به اضافه کردن ادامه دهی، بالاخره نقطهای میرسی که دیگر شکر حل نمیشود و در ته لیوان رسوب4 میکند. به این نقطه، حد اشباع5 میگویند.
حلالیت در واقع همان حداکثر جرم مادهای (به گرم) است که در 100 گرم از یک حلال (معمولاً آب) در یک دمای مشخص حل میشود و محلول اشباع6 به وجود میآورد. برای مثال، حلالیت نمک خوراکی7 در دمای 20 درجه سانتیگراد، حدود 36 گرم است. یعنی در این دما، حداکثر 36 گرم نمک در 100 گرم آب میتواند حل شود.
خواندن و تفسیر نمودار حلالیت
یک نمودار حلالیت معمولی، یک گراف خطی است که دو محور دارد:
- محور افقی (ایکس): دمای حلال (معمولاً بر حسب درجه سانتیگراد).
- محور عمودی (وای): مقدار ماده حلشونده (بر حسب گرم در 100 گرم آب).
هر خط در این نمودار، رفتار یک مادهٔ خاص را نشان میدهد. با نگاه کردن به شیب این خطها، میتوانیم بفهمیم دمای آب چگونه روی حلالیت آن ماده اثر میگذارد.
| نام ماده | حلالیت در 20°C (گرم در 100 گرم آب) | حلالیت در 80°C (گرم در 100 گرم آب) | تأثیر دما | مثال روزمره |
|---|---|---|---|---|
| شکر (ساکارز)8 | ~204 | ~362 | افزایش شدید | درست کردن شربت غلیظ با آب داغ |
| نمک خوراکی (سدیم کلرید)7 | 36 | 38 | افزایش جزئی | پختن پاستا؛ دمای آب تفاوت چندانی در مقدار نمک حل شده ایجاد نمیکند. |
| گاز اکسیژن ($O_2$) | 0.004 | 0.001 | کاهش | ماهیهای آکواریوم در آب سرد راحتتر نفس میکشند تا در آب گرم. |
همان طور که در جدول میبینید، رفتار همه مواد یکسان نیست. خط نمودار شکر شیب تندی به سمت بالا دارد (حلالیت با دما افزایش مییابد). خط نمک تقریباً صاف است (تأثیر دما کم است). اما خط گاز اکسیژن شیب نزولی دارد (حلالیت با دما کاهش مییابد).
نمودار حلالیت در آشپزخانه و طبیعت
بیا چند مثال ملموس از کاربرد این نمودار را با هم مرور کنیم:
۱. درست کردن آبنبات نخودی یا سوهان عسلی: برای درست کردن شیرینیهای جامد و شکرک زده، ابتدا شکر را در آب داغ کاملاً حل میکنند تا یک محلول خیلی غلیظ (فراسیرشده9) درست شود. وقتی این محلول سرد میشود، از آنجایی که حلالیت شکر در دمای پایین کمتر است، شکر اضافی به شکل کریستالهای ریز (همان آبنبات یا بافت سوهان) از محلول خارج میشود.
۲. سنگهای رسوبی در طبیعت: آب زیرزمینی وقتی از میان لایههای سنگ عبور میکند، مواد معدنی مانند کربنات کلسیم ($CaCO_3$) را در خود حل میکند. وقتی این آب به غارهای خنک میرسد یا تبخیر میشود، از آنجایی که حلالیت این مواد در آب سرد کمتر است، به مرور زمان رسوب میکنند و چیزهای زیبایی مثل استالاکتیت و استالاگمیت را در غارها میسازند.
۳. کیسههای گرمازا: داخل بعضی از این کیسهها، یک ماده مانند سدیم استات10 به صورت فراسیرشده وجود دارد. وقتی صفحهٔ فلزی داخل کیسه را فشار میدهی، بلورهای ریز تشکیل میشوند و چون عمل حل شدن سدیم استات گرماده11 است، گرمای دلپذیدی تولید میکند.
سوالات رایج و باورهای نادرست
پاسخ: خیر. این یک باور نادرست رایج است. همانطور که در جدول دیدیم، حلالیت گازها (مانند اکسیژن یا دیاکسید کربن در نوشابه) با افزایش دما کاهش مییابد. به همین دلیل است که نوشابه گرم، زودتر "بادش" میپرد و گاز کمتری دارد.
پاسخ: نه. هر مادهای یک حد نهایی برای حلالیت دارد، حتی در آب جوش. نمودار حلالیت این حد نهایی را در دماهای مختلف نشان میدهد. پس بینهایت نمیتوان ماده را در آب حل کرد.
پاسخ: محلول اشباع، در یک دمای مشخص، حداکثر مقدار ماده را به طور پایدار در خود حل کرده است. اگر به آن ماده اضافه کنیم، دیگر حل نمیشود. اما محلول فراسیرشده ناپایدار است و بیشتر از حد اشباع ماده را در خود دارد. مثل شربت خیلی غلیظی که با کوچکترین ضربه یا اضافه کردن یک ذره شکر، بلورهای شکر شروع به تشکیل میکنند و شربت شکرک میزند.
- دمای آب چگونه روی مقدار حل شدن مواد جامد (مانند شکر) و گازها (مانند اکسیژن) اثر میگذارد.
- برای هر ماده یک الگوی خاص وجود دارد که میتوان آن را روی نمودار به صورت یک خط دید.
- با کمک این نمودار میتوانیم پدیدههای سادهای مثل درست کردن شربت، شکرک زدن عسل یا نفس کشیدن ماهیها را بهتر درک کنیم.
پاورقی
1 نمودار حلالیت (Solubility Curve)
2 حلال (Solvent): مایعی که ماده دیگری را در خود حل میکند.
3 حلالیت (Solubility)
4 رسوب (Precipitate): ماده جامدی که از محلول جدا میشود.
5 حد اشباع (Saturation Point)
6 محلول اشباع (Saturated Solution)
7 سدیم کلرید (Sodium Chloride)
8 ساکارز (Sucrose)
9 فراسیرشده یا ابراشباع (Supersaturated)
10 سدیم استات (Sodium Acetate)
11 گرماده (Exothermic): فرآیندی که همراه با آزاد شدن گرما است.
