محلولهای فراسیرشده: وقتی مواد بیش از اندازه حل میشوند!
محلول چیست؟ از سیرشده تا فراسیرشده
برای درک محلول فراسیرشده، ابتدا باید با مفهوم محلول و سیرشدگی آشنا شویم. یک محلول از دو بخش اصلی تشکیل میشود:
| جزء | تعریف | مثال ملموس |
|---|---|---|
| حلال4 | مادهای که ماده دیگر را در خود حل میکند. معمولاً بخش بیشتر محلول است. | آب در محلول آبنمک |
| ماده حلشونده2 | مادهای که در حلال حل میشود و بخش کمتر محلول را تشکیل میدهد. | نمک در محلول آبنمک |
حالا فرض کنید به یک لیوان آب، به تدریج شکر اضافه میکنید و هم میزنید. ابتدا همهی شکرها حل میشوند. اما نقطهای میرسد که دیگر شکر اضافهشده حل نمیشود و در ته لیوان باقی میماند. در این حالت میگوییم محلول سیرشده3 است. یعنی در آن دما، آب دیگر نمیتواند شکر بیشتری را در خود حل کند.
اما یک حالت خاص وجود دارد: اگر محلول سیرشده را به آرامی و بدون وارد کردن ضربه، سرد کنیم یا شرایط خاصی فراهم کنیم، میتوانیم مقداری ماده حلشونده بیشتر از حد سیرشدگی در آن نگه داریم. این محلول خاص را محلول فراسیرشده مینامیم. مثل یک لیوان آب که به طور معجزهآسایی شکر بیشتری از حد توانایی خود در خود نگه داشته است!
چگونه یک محلول فراسیرشده درست میشود؟
ساخت این محلولها یک راز ساده دارد: آرامش و عدم وجود ذرات ریز اضافی. مراحل کار به صورت زیر است:
| مرحله | شرح | وضعیت محلول |
|---|---|---|
| 1- حرارت دادن | مقدار زیادی ماده حلشونده (مثلاً سدیم استات) را در آب داغ حل میکنیم تا کاملاً سیرشده شود. گرمای بیشتر، ظرفیت حلکنندگی آب را افزایش میدهد. | سیرشده در دمای بالا |
| 2- سرد کردن آرام | محلول را به آرامی و بدون تکان دادن و بدون ورود غبار به دمای اتاق میرسانیم. ماده حلشونده اضافی فرصت بلور شدن5 پیدا نمیکند. | فراسیرشده (ناپایدار) |
| 3- آغاز تبلور (شوک) | با اضافه کردن یک کریستال کوچک از همان ماده (ذرهی آغازگر) یا تکان شدید، بلورها به سرعت شروع به تشکیل میکنند. | بازگشت به سیرشده پایدار |
محلولهای فراسیرشده در اطراف ما کجا هستند؟
این محلولها فقط در آزمایشگاه نیستند؛ آنها در زندگی روزمره ما هم حضور پررنگی دارند:
عسل: یک مثال کلاسیک است. عسل طبیعی اغلب یک محلول فراسیرشده از قند (به ویژه گلوکز) در آب است. با گذشت زمان یا در دمای پایین، این قندهای اضافی ممکن است بلور شده و عسل «شکرک» بزند. این فرآیند طبیعی است و نشانهی بدی نیست.
گرمپاهای شیمیایی: در بسیاری از گرمپاها یا کیسههای گرمکن یکبارمصرف، از محلول فراسیرشده سدیم استات6 استفاده میشود. با فشار دادن صفحهی فلزی کوچک داخل آن (که نقش ذره آغازگر را دارد)، بلورسازی سریع شروع میشود. این فرآیند گرما تولید میکند و کیسه گرم میشود. واکنش را میتوان با جوشاندن کیسه، دوباره به حالت اول برگرداند!
تشکیل ابر و بارش باران: هوای اطراف ما میتواند به عنوان یک محلول در نظر گرفته شود که رطوبت (آب) در آن حل شده است. گاهی هوا از بخار آب فراسیرشده میشود، یعنی رطوبت نسبی7 از 100% هم بیشتر میشود. ذرات ریز گردوغبار یا نمک در اتمسفر نقش «ذرات آغازگر» را بازی کرده و باعث میشوند قطرات آب حول آنها تشکیل شوند و ابر و در نهایت باران به وجود بیاید.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاورقی
1محلول فراسیرشده (Supersaturated Solution): محلولی که در دمای معین، حاوی مقدار ماده حلشوندهای بیش از مقدار موجود در محلول سیرشده باشد. حالت ناپایداری دارد.
2ماده حلشونده (Solute): مادهای که در یک حلال حل میشود و جزء کممقدار محلول را تشکیل میدهد.
3محلول سیرشده (Saturated Solution): محلولی که در دمای معین، حداکثر مقدار ممکن از یک ماده حلشونده را در خود حل کرده است. اضافه کردن مقدار بیشتر، باعث تهنشینی ماده میشود.
4حلال (Solvent): مادهای که قابلیت حل کردن ماده دیگر را دارد و معمولاً بخش عمده محلول است.
5بلور شدن/تبلور (Crystallization): فرآیندی که در آن اتمها یا مولکولها به صورت بسیار منظم در کنار هم قرار گرفته و یک ساختار جامد (بلور) را تشکیل میدهند.
6سدیم استات (Sodium Acetate: CH$_3$COONa): نمکی که به راحتی در آب حل میشود و برای ایجاد محلول فراسیرشده و آزاد کردن گرما هنگام بلورسازی معروف است.
7رطوبت نسبی (Relative Humidity): نسبت مقدار بخار آب موجود در هوا به حداکثر مقدار بخار آبی که هوا در آن دما میتواند نگه دارد، بیان شده به صورت درصد.
8شیشه (Glass): یک جامد بیشکل و شفاف که معمولاً با سرد کردن سریع یک مایع مذاب بدون دادن فرصت کافی برای تشکیل ساختار بلوری منظم به دست میآید.
