درسنامه آموزشی شیمی (1) کلاس دهم رشته ریاضی و تجربی
فصل سوم: آب و دیگر حلالها
آب فراوانترین و رایجترین حلال در طبیعت، صنعت و آزمایشگاه است، زیرا میتواند بسیاری از ترکیبهای یونی و مواد مولکولی را در خود حل کند. آب و محلولهای آبی در زندگی جانداران نقش حیاتی دارند. اما همۀ محلولها آبی نیستند زیرا افزون بر آب، حلالهای دیگری نیز وجود دارند. جدول 3، سه ترکیب آلی را نشان میدهد که به عنوان حلال به کار میروند.
| نام حلال | فرمول شیمیایی | $μ(D)$ | کاربرد |
|---|---|---|---|
| اتانول | ${{C}_{2}}{{H}_{6}}O$ | $\gt 0$ | حلال در تهیه مواد دارویی، آرایشی و بهداشتی |
| استون | ${{C}_{3}}{{H}_{6}}O$ | $\gt 0$ | حلال برخی چربیها، رنگها و لاکها |
| هگزان | ${{C}_{6}}{{H}_{14}}$ | $\approx 0$ | حلال مواد ناقطبی و رقیق کننده رنگ (تینر) |
هوا و آب دریا از جمله محلولهایی هستند که از یک حلال و چند حل شونده تشکیل شدهاند.
به محلولهایی که حلال آنها آلی است، محلولهای غیرآبی میگویند. شکل 20، دو نمونه از این محلولها را نشان میدهد.
|
|
خود را بیازمایید (صفحهٔ 109 کتاب درسی)
آیا حالت فیزیکی و ترکیب شیمیایی در سرتاسر هر یک از مخلوطهای زیر یکسان و یکنواخت است؟ چرا؟
چگالی یخ < آب، زیرا آب در صفر درجهی سلسیوس افزایش حجم پیدا کرده و با توجه به ثابت بودن جرم از چگالی آن کاسته میشود.
|
|
پیوند با زندگی
اغلب محلولهای موجود در بدن انسان، محلولهای آبی هستند. محلولهایی که بیشتر واکنشهای شیمیایی درون بدن از جمله گوارش غذا، کنترل دمای بدن، تنفس، جلوگیری از خشکی پوست و... در آنها انجام میشود. با این توصیف بخش عمدۀ جرم بدن را آب تشکیل میدهد. بیش از نیمی از این آب در درون یاختهها و باقی آن در مایعهای برون سلولی جریان دارد. این مایعها مواد مغذی و مواد زائد را بین سلولها و دستگاه گردش خون جابهجا میکند. هر فرد بالغ روزانه به طور میانگین 1500 تا 3000 میلیلیتر آب را به صورت ادرار، تعرق پوستی، بخار آب در بازدم و... از دست میدهد. اگر این مقدار آب با خوردن مواد غذایی، میوهها و نوشیدنیها جبران نشود، بدن دچار کم آبی خواهد شد (شکل 21).
آب با حل کردن مواد زائد تولید شده در سلولها و دفع آنها نقش کلیدی در حفظ سلامت بدن دارد.
کدام مواد با یکدیگر محلول میسازند؟
تاکنون آموختید که برخی حل شوندهها در برخی حلالها حل میشوند و محلول تشکیل میدهند، در حالی که برخی دیگر مخلوط ناهمگن میسازند. برای نمونه، افزودن استون به آب یا اندکی یُد به هگزان منجر به تشکیل محلول میشود اما، افزودن هگزان به آب، مخلوطی ناهمگن پدید میآورد.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 111 کتاب درسی)
1- با توجه به مقدار گشتاور دو قطبی هر ماده، موارد زیر را توجیه کنید.
آ) انحلال استون در آب: با توجه به گشتاور دو قطبیهای جدول، آب و استون هر دو قطبی اند پس استون در آب حل میشود.
ب) انحلال یُد در هگزان: ید و هگزان هر دو نا قطبی اند (گشتاور دو قطبی صفراست) به همین دلیل ید درهگزان حل میشود.
پ) حل نشدن هگزان در آب: هگزان نا قطبی و آب قطبی است و مخلوط آنها ناهمگن است.
2- آیا جملۀ «شبیه شبیه را حل میکند (Like Dissolves Like)» درست است؟ توضیح دهید.
بله - یعنی نیرو های بین مولکولی حلال وحل شونده باید شبیه یکدیگر باشند تا انحلال صورت بگیرد و محلول بدست آید. بنابراین حل شوندهی قطبی و یونی در حلال قطبی و حل شونده ناقطبی در حلال ناقطبی حل میشود.
3- آزمایشها نشان میدهد که فرایند انحلال هنگامی منجر به تشکیل محلول میشود که: (میانگین جاذبهها در حلال خالص وحل شوندۀ خالص) $\gt$ (جاذبههای حل شونده با حلال در محلول) با این توصیف با توجه به شکل زیر، به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید.
آ) نیروهای بین مولکولی در هریک از چه نوعی است؟ چرا؟
پیوند هیدروژنی - در هر سه شکل شرایط تشکیل پیوند هیدروژنی وجود دارد.
ب) در مربع زیر علامت $\gt$ یا $\lt$ قرار دهید.
نیروی جاذبه میان مولکولها در محل اتانول در آب $\gt$ میانگین نیروی جاذبه میان مولکولهای آب خالص و اتانول خالص
توجه: مطابق نظر مولفین محترم، دانش آموزان نقطه جوش آب والکل را میدانند. پس نیروی جاذبه آب از همه بیشتراست، سپس مخلوط آب والکل و بعد هم نیروی جاذبه الکل ازهمه ضعیفتراست.
پ) چرا شیمیدانها انحلال اتانول در آب را انحلال مولکولی مینامند؟ توضیح دهید.
چون مولکول اتانول به هنگام حل شدن در آب دچار تغییر نشده و ساختار و ماهیت مولکول آن حفظ میشود.
| ماده | گشتاور دوقطبی (D) |
|---|---|
| آب | $>0$ |
| استون | $>0$ |
| یُد | $=0$ |
| هگزان | $\simeq 0$ |
فرایند انحلال نمکها در آب
با انحلال مولکولی آشنا شدید. انحلالی که در آن مولکولهای حل شونده، ماهیت خود را در محلول حفظ میکنند، گویی ساختار مولکولهای حل شونده در محلول دچار تغییر نشده است. انحلال استون یا اتانول در آب و نیز انحلال یُد در هگزان از این نوع هستند. اما همۀ فرایندهای انحلال چنین نیستند، برای نمونه به فرایند انحلال سدیم کلرید در آب توجه کنید (شکل 22).
سدیم کلرید یک ترکیب یونی با بلورهای مکعبی است که در آن یونهای $N{{a}^{+}}$ و $C{{l}^{-}}$ با آرایشی منظم در سه بعد جای گرفتهاند. هنگامی که بلور کوچکی از این مادۀ جامد در آب وارد میشود، مولکولهای قطبی آب از سرهای مخالف به یونهای بیرونی بلور نزدیک شده، نیروی جاذبهای میان آنها برقرار میشود. این نیروی جاذبه، یون- دوقطبی نام دارد؛ نیروی جاذبهای که باعث جدا شدن یونها از شبکه شده تا با لایهای از مولکولهای آب، پوشیده شوند. این یونهای آب پوشیده در سرتاسر محلول پراکنده خواهند شد، به طوری که محلول آب نمک را میتوان محلولی محتوی یونهای $N{{a}^{+}}(aq)$ و $Cl^-(aq)$ دانست.
همان گونه که در شکل 22 پیداست، در این فرایند انحلال، مادۀ حل شونده ویژگی ساختاری خود را حفظ نکرده است و یونهای سازندۀ شبکۀ بلور یونی، تفکیک و آب پوشیده شدهاند. این فرایند، انحلال یونی به شمار میرود.
آیا گازها هم در آب حل میشوند؟
آیا تاکنون به تنفس ماهیهای درون آبزیدان (آکواریوم). توجه کردهاید؟ آیا میدانید آبزیان اکسیژن لازم را برای سوخت و ساز از کجا تأمین میکنند؟ همۀ جانوران از جمله ماهیها برای زنده ماندن به اکسیژن $({{O}_{2}})$ نیازمندند. آنها با عبور دادن آب از درون آبشش خود، اکسیژن مولکولی حل شده در آب را جذب میکنند. با اینکه گاز اکسیژن به میزان کمی در آب حل میشود، اما همین مقدار کم برای زندگی آبزیان نقش حیاتی دارد. آیا میدانید انحلالپذیری گاز اکسیژن و دیگر گازها در آب به چه عواملی بستگی دارد؟
اکسیژن کافی و محلول در آب برای ادامۀ زندگی ماهیها ضروری است.
کاوش کنید: اثر دما بر انحلالپذیری گازها در آب (صفحهٔ 113 کتاب درسی)
ابزار، وسایل و مواد شیمیایی مورد نیاز: ظرف پلاستیکی بزرگ، استوانۀ مدرج، قیف، آب، یخ، قرص جوشان
آزمایش 1:
آ) ظرف پلاستیکی را بردارید و مخلوط آب و یخ را تا نیمه درون آن بریزید.
ب) یک قرص جوشان را نصف کنید و با استفاده از تکهای خمیربازی آن را به دیوارۀ داخلی قیف بچسبانید.
پ) استوانۀ مدرج را از آب پر کنید. کف دست خود را روی دهانۀ آن قرار دهید. حال استوانه را وارونه کرده و مانند شکل، درون ظرف محتوی آب قرار دهید (استوانۀ مدرج را با دست خود نگه دارید).
ت) اکنون از یکی از دوستان خود بخواهید که قیف را درون ظرف بزرگ به گونهای قرار دهد که لولۀ قیف در زیر دهانۀ استوانۀ مدرج قرار گیرد. مشاهدههای خود را بنویسید.
آزمایش 2:
آزمایش 1 را با آب گرم تکرار کنید. مشاهدههای خود را یادداشت و سپس جدول را کامل کنید.
| آزمایش | حجم هوای جمع شده درون استوانهٔ مدرج (میلیلیتر) | |
| آزمایش 1 | آزمایش 2 | |
| بار اول | 3/2 | 4/3 |
| بار دوم | 3/3 | 4/2 |
| بار سوم | 3/1 | 4/3 |
| میانگین | 3/2 | 4/3 |
اکنون به پرسشهای زیر پاسخ دهید:
1- از واکنش قرص جوشان با آب چه گازی آزاد میشود؟
گاز کربن دیاکسید (قرص جوشان شامل سیتریک اسید وجوش شیرین و.... است در اثر واکنش با آب، سدیم سیترات و گاز کربن دیاکسید میدهد).
2- آیا میانگین حجم گاز آزاد شده در دو آزمایش یکسان است؟ چرا؟
بله - چون دمای آنها متفاوت است و شرایط این دو آزمایش یکسان نیست.
3- حجم گاز جمع آوری شده در کدام آزمایش کمتر است؟
حجم گاز آزاد شده در واکنش قرص جوشان با آب گرم بیشتر و با آب سرد گاز کمتری آزاد میشود.
4- از مشاهدههای خود چه نتیجهای میگیرید؟ توضیح دهید.
در آب سرد گاز بیشتری حل شده بنابراین مقدارگاز کمتری آزاد میشود.
5- چه رابطهای بین دمای آب و میزان انحلال پذیری گاز وجود دارد؟
با افزایش دمای آب، انحلال پذیری گازها کاهش مییابد.
6- چرا در هوای گرم، ماهیها به سطح آب میآیند؟
چون میزان گاز اکسیژن حل شده کمتر میشود و ماهیها برای رفع کمبود اکسیژن به سطح آب میآیند و با جذب آب درآبشش، اکسیژن جذب میشود.
دربارۀ اینکه «مقدار نمک موجود در آب دریا روی انحلال پذیری گازها اثر دارد» کاوش کنید (در کاوش خود باید آزمایش، طراحی و اجرا کنید که از دادههای آن بتوانید نتیجه درست و قابل اطمینان بگیرید).
آزمایش را در دمای ثابت و با مقدارآب یکسان تکرار میکنیم فقط در یک ظرف مقداری نمک به آب اضافه میافزاییم. انحلال نمک بر انحلال سایر مواد درآب تاثیر میگذارد. نمک جایگزین اکسیژن حل شده میشود و مقداری از آن از آب خارج میشود) چون برهم کنش نمک با آب قویتر از برهم کنش گاز با آب است و این باعث خروج گاز از آب میشود.
با هم بیندیشیم (صفحهٔ 114 کتاب درسی)
1- نمودار زیر انحلال پذیری سه گاز را که با آب واکنش شیمیایی نمیدهند در دمای $20{}^\circ C$ نشان میدهد. با توجه به آن، به پرسشهای مطرح شده پاسخ دهید.
آ) این نمودار تأثیر چه عاملی را بر انحلال پذیری گازها نشان میدهد؟ توضیح دهید.
اثر فشار (تأثیرفشار بر انحلال پذیری گاز براساس قانون هنری بیان میشود)
ب) نتیجه گیری از این نمودار قانون هنری نام دارد. آن را در یک سطر توضیح دهید.
در دمای ثابت، با افزایش فشار، میزان انحلال پذیری گاز افزایش مییابد. (نمودار خطی است)
پ) شیب نمودار برای کدام گاز تندتر است؟ از این واقعیت چه نتیجهای میگیرید؟
گاز $NO$ - هر گازی که شیب نمودار آن بیشتر باشد انحلال پذیری بیشتری دارد و تأثیر فشار بر انحلال نیز بیشتر است.
پیوند با زندگی
آیا تاکنون دیده یا شنیدهاید که ورزشکاران به ویژه دوچرخهسواران و دوندگان پس از تمرین یا مسابقه، نوشیدنیهای ویژهای مصرف میکنند؟ آیا میدانید هر یک از این نوشیدنیها حاوی چه موادی است؟ چرا نوشیدن این نوع مایعها به ورزشکاران توصیه میشود؟
بدن ما سامانۀ پیچیده و متعادلی از یاختهها، بافتها و مایعاتی است که در هر لحظه با نظمی باور نکردنی، پیامهای عصبی، احساسات و حرکات ما را کنترل میکنند. این هنگامی رخ میدهد که محیط شیمیایی مناسبی برای ایجاد و
برقراری جریان الکتریکی فراهم شود؛ محیطی که یک محلول آبی محتوی یونهای گوناگونی مانند $Cl^-$ و $K^+$ و $Na^+$ و... است.
پس از انجام یک فعالیت بدنی سنگین یا پس از مدتی دویدن، احساس خستگی به دلیل کاهش چشمگیر این یونها در مایعهای بدن است. از این رو نوشیدن محلولهایی حاوی این یونها ضروری است. (شکل 23).
یکی از مهمترین یونها در مایعهای بدن، یون پتاسیم ($K^+$) است. نیاز روزانه بدن هر فرد بالغ به یون پتاسیم دو برابر یون سدیم است. از آنجا که بیشتر مواد غذایی حاوی یون پتاسیم است، کمبود آن به ندرت احساس میشود. وجود یون پتاسیم ($K^+$) برای تنظیم و عملکرد مناسب دستگاه عصبی بسیار ضروری است بهطوری که انتقال پیامهای عصبی بدون وجود این یون، امکانپذیر نیست. درواقع، اختلال در حرکت این یون مانع از انتقال پیامهای عصبی و گاهی در موارد شدید منجر به مرگ میشود.
آیا میدانید
مارهای سیاه مناطق گرمسیری با تزریق زهری که کانالهای پتاسیم را در سلولهای عصبی مسدود میکند، شکار خود را از پای در میآورند.
