- هر یک از تصاویر فوق، بیانگر چه نوع مخلوطی است؟

در ظرفی که دارای آب مقطر است یک قاشق نمک می‌ریزیم و آن را هم می‌زنیم. مشاهده می‌کنیم که نمک ناپدید می‌شود. مایع به دست آمده زلال است و حتی با میکروسکوپ نیز نمی‌توان وجود نمک را در آن تشخیص داد، ولی مزۀ آن شور است (می‌گوییم نمک در آب حل شده است). آب را حلال و مایع حاصل را محلول نمک در آب می‌نامیم.

محلول و انحلال‌پذیری

هر مخلوط همگن یا تک فازی را محلول می‌نامند، مانند سکۀ طلا، آب نمک، هوا و ... . بخشی از ماده که در تمام نقاط آن فرمول شیمیایی و خواص فیزیکی و شیمیایی یکسان است «فاز» نامیده می‌شود. به‌طور مثال اگر یک محلول آب‌نمک داشته باشیم : طعم، مزه، چگالی و ... در بخش‌های مختلفِ آن یکسان است.

یک لیوان را تا نیمه از آب پر کنید. اگر فضای درون لیوان را یک سامانه در نظر بگیریم، این سامانه دو فاز دارد، یک فاز آن مایع (آب درون لیوان) و فازدیگرآن گاز (هوای روی آب لیوان) است. حال اگر یک تکه چوب را درون آب بیندازیم تعداد فازهای سامانه، به سه افزایش می‌یابد.

به مرز میان دو فاز «فصل مشترک» گفته می‌شود. در مخلوط‌های ناهمگن (مانند آب و روغن)، مرز میان فازها قابل تشخیص است، در مخلوط‌های همگن (محلول‌ها) مرزی میان حل شونده و حلّال وجود ندارد و به عبارت دیگر، محلول‌ها تک‌فاز هستند.

یک محلول دست کم از دو جزء تشکیل شده است: مادۀ حل شونده و حلّال. جزئی که معمولاً درصد بیشتری از محلول را تشکیل می‌دهد، حلّال نام دارد و جزء یا اجزایی را که در حلّال حل می‌شوند، مادۀ حل شونده می‌نامند (شکل 1).

محلول = حلّال + حل شونده(ها)

در تقسیم‌بندی کلی‌تری محلول‌ها را به سه نوع گازی، مایع و جامد تقسیم می‌کنند.

هوایی که تنفس می‌کنید، محلولی از نیتروژن، اکسیژن، کربن دی اکسید، بخار آب و گازهای دیگر است و حلّال آن، گاز نیتروژن است. چرا؟

محلول‌های آبی امروزه در زندگی کاربرد بیشتری دارند. مانند محلول حاصل از حل کردن ضد یخ در آب رادیاتور اتومبیل که در تابستان از جوش آمدن آب رادیاتور و در زمستان از یخ زدن آن جلوگیری می‌کند. چرا؟

برخی حلّال‌های مایع پرکاربرد:

آب: فراوان‌ترین و رایج‌ترین حلّال شناخته شده است که ترکیب‌های یونی و مولکولی بسیاری را در خود حل می‌کند. آب در قرآن اهمیت فراوانی دارد. خداوند در آیات متعدد انسان را به تفکر در آب و شکر این نعمت بزرگ، دعوت نموده است.

حلّال غیر آبی (آلی): هگزان، اتانول، استون، کربن تتراکلرید و تولوئن از جملۀ این حلّال‌ها هستند.

الف- هگزان (${{C}_{6}}{{H}_{14}}$) مایعی بی‌رنگ و فرّار است که از نفت خام به دست می‌آید و به‌عنوان رقیق کنندۀ (تینر) رنگ، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب- اتانول (${{C}_{2}}{{H}_{5}}OH$) مهمترین حلّال صنعتی پس از آب به شمار می‌رود، مایعی بی‌رنگ و فرّار است، به هر نسبتی در آب حل می‌شود و کاربردهای متعدد صنعتی، آزمایشگاهی و ... دارد.
پ- استون (${{C}_{3}}{{H}_{6}}O$) از حلّال‌های پرکاربرد در آزمایشگاه است، به هر نسبتی در آب حل می‌شود و مایعی بی‌رنگ و فرّار است، حلّال مناسبی برای چربی‌ها، رنگ‌ها و انواع لاک‌هاست.

حل شدن قند و نمک در آب

به حل شدن قند در آب توجه کنید. یک حبه قند، توده‌ای از مولکول‌های قند است که با نظم و ترتیب خاصی در کنارهم چیده شده‌اند. وقتی قند در آب قرار می‌گیرد، در نتیجۀ برهم کنش مولکول‌های آب و قند، مولکول‌های قند، یکی‌یکی از مکان‌های منظمی که درحبه قند دارند، خارج می‌شوند و در بین مولکول‌های آب پراکنده می‌گردند. یعنی حبۀ قند به‌صورت مولکولی در آب پخش می‌شود (شکل 2).

حل شدن نمک طعام و بسیاری از ترکیب‌های یونی در آب، به شکل یونی انجام می‌گیرد. وقتی یک ترکیب یونی در آب قرار می‌گیرد جاذبۀ پیوند یونی میان یون‌ها سست شده و مولکول‌های آب، یون‌ها را احاطه می‌کنند. به این ترتیب یون‌های مثبت و منفی در آب پراکنده می‌شوند (شکل 3).

انحلال‌پذیری

می‌دانیم که محلول‌ها به 3 دستۀ سیر شده، سیر نشده و فراسیرشده تقسیم می‌شوند. همان‌طور که یک لیوان، گنجایش مقدار معینی از یک مایع را دارد، مولکول‌های حلّال نیز مقدار معینی از یک حل شونده را می‌توانند در فضای بین خود بپذیرند. این مقدار به عوامل مختلفی بستگی دارد. بیشترین مقدار از یک مادۀ حل شونده (برحسب گرم) که در دمای معین در 100 گرم حلّال حل می‌شود، انحلال‌پذیری آن ماده نامیده می‌شود.

محلول‌ها بر اساس مقدار حل شونده‌ای که دارند به سه دسته تقسیم می‌شوند:

سیرنشده: مقدار حل شونده کمتر از انحلال‌پذیری است.
سیر شده: مقدار حل شونده برابر با مقدار انحلال‌پذیری است.
فراسیرشده: مقدار حل شونده بیشتر از انحلال‌پذیری است.

نمودار (1) انحلال‌پذیری برخی ترکیب‌های یونی را در آب برحسب دما نمایش می‌دهد.

عوامل مؤثر بر انحلال‌پذیری گازها

با افزایش دما، انحلال‌پذیری مواد گازی در آب کاهش می‌یابد.(شکل 4).

به‌طور مثال بهتر است نوشابه در یخچال نگهداری شود.

غلظت محلول

اغلب در کنار نام محلول‌ها از اصطلاحاتی مانند غلیظ یا رقیق، پررنگ یا کم‌رنگ و... استفاده می‌شود. به‌طور مثال شربت آبلیموی غلیظ یا رقیق، چای کم‌رنگ یا پررنگ و... . این اصطلاحات به مقدار مادۀ حل شونده در محلول اشاره دارند. برای مثال در شربت آبلیموی غلیظ، مقدار آبلیمو بیشتر از مقدار موجود در شربت آبلیموی رقیق است.

می‌توان غلظت را مقدار مادۀ حل شونده در مقدار معینی محلول دانست که به شکل‌های مختلفی مانند درصد جرمی، قسمت در میلیون (ppm) و یا غلظت مولی (مولار) بیان می‌شود.

کلوئیدها

توجه به برخی مخلوط‌ها مانند رنگ‌های پوششی، مواد آرایشی، چسب‌ها و یا برخی مواد غذایی مانند نشاسته، ژله و ... مشخص می‌نمایدکه این مخلوط‌ها شبیه به محلول‌هایی مانند آب نمک یا آب و الکل نیستند و شباهتی به مخلوط‌هایی مانند شربت خاکشیر و شربت معده نیز ندارند و حالتی بینابین ایجاد نموده‌اند، چنین مخلوط‌هایی را که وضعیتی بین محلول و سوسپانسیون دارند، مخلوط کلوئیدی می‌نامند.

اصطلاح کلوئید برای نخستین بار در سال 1861 میلادی توسط توماس گراهام دانشمند انگلیسی به کار رفت. او این اصطلاح را برای دسته‌بندی عده‌ای از موادِ بی‌شکل یا ژلاتینی به کار برد. امروزه می‌دانیم، تشکیل مخلوط کلوئیدی، متعلق به دستۀ خاصی از مواد نیست.

یک مخلوط کلوئیدی مانند محلول، از پراکنده شدن حداقل یک مادۀ شیمیایی در یک مادۀ دیگر به‌دست می‌آید. برای مثال با گرم کردن پودر نشاسته، مخلوطی حاصل می‌شود که کلوئید نشاسته در آب نام دارد. نشاسته را فاز پخش شونده و آب را فاز پخش کننده می‌نامند. در این کلوئید، نشاسته به‌صورت مولکولی در آب پراکنده نشده است و هر یک از ذرّه‌های بسیار ریز آن به اندازۀ هزاران و گاه صدها هزار مولکول است (توده‌های مولکولی). این ذره‌های ریز نشاسته که در آب نامحلول‌اند، به‌طور نامحدودی به‌صورت معلق باقی می‌مانند و از راه لخته شدن یا رسوب کردن، از آب جدا نمی‌شوند.

ویژگی‌های دیگر کلوئیدها

1- پخش نور (اثر تیندال): ذرّه‌های کلوئیدی دارای چنان اندازه‌ای هستند که می‌توانند نور را پخش کنند. در شکل‌های زیر، نمونه‌هایی از اثر تیندال را مشاهده می‌کنید که نشانه‌هایی از قدرت خداوند کریم است.

2- حرکت براونی: ذرّه‌های کلوئیدی به کمک میکروسکوپ نوری به صورت ذرات ریز و درخشانی دیده می‌شوند که در حال جنب‌وجوش دائمی هستند و حرکت‌های نامنظّمی دارند و مسیرهای نامنظّم شکسته‌ای را می‌پیمایند. به این حرکت‌ها به افتخار رابرت براون حرکت براونی گفته می‌شود.

3- پایداری ذرات کلوئیدی: ذرّه‌های کلوئیدی بارالکتریکی خود را از راه جذب یون‌های موجود در فاز پخش کننده به‌دست می‌آورند. تمام ذرّات یک کلوئید بارهای همنام دارند، دافعه میان این ذرّات دارای بار همنام سبب پایداری کلوئیدها می‌شود (شکل10). به منظورکاهش پایداری یا لخته نمودن ذرّات کلوئیدی، به آنها یک الکترولیت اضافه می‌شود تا ذرّات باردار از سطح کلوئیدها جدا شوند و امکان به هم پیوستن ذرّات کلوئیدی فراهم شود (شکل 11).

وقتی ضمن انحلال مادۀ حل شونده در آب، یون تولید شود، محلول الکترولیت حاصل می‌شود. همان‌طور که در «آزمایش کنید 1 فصل اول» آموختید، برخی محلول‌ها رسانای جریان برق‌اند و برخی نارسانا. محلول‌های رسانا را الکترولیت و نارسانا را غیرالکترولیت می‌نامند.

بررسی کلوئیدها از جنبۀ کاربردی

از نظر اقتصاد ملّی، تقریباً تمامی صنایع و کارخانه‌ها، کم و بیش با مخلوط‌های کلوئیدی و فرایندهای مرتبط با آن سر و کار دارند. به‌طور مثال مهندسان آلیاژ کار برای تهیۀ آلیاژهای بسیار مرغوب باید برخی مواد دیگر را در نسبت‌های کاملاً مشخصی به آلیاژهای خود بیفزایند.

مواد در حالت کلوئیدی، در تهیۀ سرامیک و لعاب‌کاری و همچنین در تهیۀ مصالح ساختمانی نیز به‌کار می‌روند. در معماری ایرانی - اسلامی نیز کلوئیدها کاربرد فراوانی از قرن‌ها پیش برای تهیۀ لعاب‌کاشی‌ها و شیشه‌های رنگی داشته و دارند (شکل12).

در صنایع غذایی، تقریباً اغلب مواد غذایی لیپیدی، پروتئینی، کربوهیدرات‌ها و مشتقات آنها، خود مواد کلوئیدی هستند. شیر به صورت کلوئید ذرات چربی در آب است. مایونز، امولسیون روغن‌های گیاهی با سرکه و زردۀ تخم مرغ است.

در صنایع دارویی، بیشتر شربت‌ها و پمادها حالت کلوئیدی دارند. لوسیون‌ها، کرم‌ها و نظایر آنها نیز امولسیون‌هایی هستند که آب و روغن‌های مناسب در هم پراکنده شده‌اند.

بیشتر رنگ‌ها و چسب‌های موجود نیز شامل کلوئید در محیط‌های مناسب هستند، مرغوبیت اغلب رنگ‌ها و چسب‌ها به شکل و ابعاد ذرات کلوئیدی بستگی دارد.

تصفیۀ آب نیز با خواص مخلوط‌های کلوئیدی در ارتباط است. یکی از عملیات‌های مهّم تصفیۀ آب، آن است که ذرّه‌های بسیار ریز گل‌ولای و ناخالصی‌های دیگر را که به صورت معلّق در آب موجوداند، از راه لخته شدن از آب جداسازی می‌کنند.

در نساجی و رنگ کردن پارچه‌ها، در صنعت چرم‌سازی و تهیۀ پوست، در صنعت لاستیک‌سازی و کاغذ‌سازی نیز با مخلوط‌های کلوئیدی و خواص آنها، سروکار بسیار است.

آنچه آموختیم در یک نگاه