شیمی

  بخش ۳
محلولها

مي دانيد که بيشتر واکنشهاي شيميايي در طبيعت در حال محلول انجام مي شوند، زيرا لازمه انجام واکنشهاي شيميايي برخورد موثر بين ذره هاي واکنش دهنده است. محلولها در واقع همان مخلوطهاي همگن هستند.

  فاز چيست ؟

فاز بخشي از ماده است که تمام آن از نظر ترکيب شيميايي و خواص فيزيکي يکسان است. مثلاً يک محلول آب و نمک يک محلول تک فازي است که رنگ ، طعم ، چگالي و بقيه خواص آن در کل محلول يکسان است. وقتي جامدي ذوب مي شود يا مايعي تبخير مي شود تغيير فاز انجام مي شود. ماهيت شيميايي ماده در تغيير فاز تغيير نمي کند و بنابراين تغيير فاز يک تغيير فيزيکي است.  

  انواع محلولها کدامند؟

محلولها مي توانند مايع (آب و نمک) ، گاز (هوا) و جامد (آلياژ فلزات) باشند. بدون شک آب مهمترين حلال در طبيعت است. محلولهايي را که آب حلال آنهاست ، محلولهاي آبي مي نامند. از حلالهاي مهم غيرآبي مي توان اتانول ، استون و هگزان را نام برد.  

  انحلال پذيري در آب :

عبارت است از بيشترين مقدار يک ماده که در دماي معين در 100 گرم آب حل مي شود.  

  پيش بيني انحلال پذيري دو ماده در يک ديگر

دانشمندان اغلب براي انحلال پذيري مواد در يکديگر عبارت «شبيه ، شبيه را در خود حل مي کند» را به کار مي برند. اين تشابه از نظر ميزان و نوع نيروي جاذبه بين ذره هاي تشکيل دهنده حلال و حل شونده است.

هنگامي که جسمي در يک حلال حل مي شود هم ذرات حل شونده از هم دور مي شوند و هم ذرات حلال از هم دور مي شوند. بنابراين لازمه حل شدن جسم در حلال اين است که جاذبه بين ذرههاي حلال و حل شونده به وجود بيايد. مثلا ً نمک NaCL در آب خيلي خوب حل مي شود چون به يونهاي Na+ و cl- تفکيک مي شود و به دو سر مولکول آب جذب مي شود ( سر مثبت مولکول قطبي آب به سوي آنيون cl- و سر منفي مولکول آب به سوي کاتيون Na+ جذب مي شود) مثال ديگر کربن تتراکلريد ccl4 است که يک ماده ناقطبي است. اين ماده ناقطبي در آب حل نمي شود چون نيروي جاذبه بين مولکولهاي آب خيلي قويتر از نيروهاي جذبه بين مولکولهاي کربن تتراکلريد است. به عبارت ديگر بين مولکولهاي آب و کربن تتراکلريد جاذبه قوي برقرار نمي شود. اما يد که يک ماده ناقطبي است مي تواند در کربن تتراکلريد حل شود زيرا نيروي جاذبه بين مولکولهاي يد و مولکولهاي کربن تتراکلريد مشابه است.

بنابر اين مي توان گفت معمولاً مواد قطبي در حلالهاي قطبي ، مواد ناقطبي در حلالهاي ناقطبي و جامدهاي يوني در آب و حلالهاي قطبي حل مي شوند.

برخي از مولکولها ساختارشان دو بخش دارند يک بخش قطبي و يک بخش ناقطبي مانند الکلها ، اين مواد بسته به آنکه کدام بخش غلبه بيشتري در ديگري داشته باشد در حلال ها حل مي شوند مثلاً در بوتانول بخش ناقطبي بر قطبي غلبه دارد بنابراين در آب و حلالهاي قطبي به مقدار کم حل مي شود.

بخش ناقطبي از قطبي بزرگتر است بنابراين در کل مولکول آن تقريباً ناقطبي است.

گازها هم مي توانند در آب حل شوند. انحلال پذيري گازها در آب تابع فشار و دما است. هر چه فشار بيشتر باشد و دما کمتر باشد گاز بيشتري در آب مي تواند حل شود.  

  گرماي انحلال

انحلال هر ماده با تغيير گرما همراه است. تغيير آنتالپي مربوط به حل شدن يک مول حل شونده در مقدار زيادي حلال را گرماي انحلال يا آنتالپي ( انحلال ΔH) مي نامند. به عنوان مثال حل شدن شکر در آب را در نظر بگيريد که شامل مراحل زير است.

۱ – جدا شدن مولکولهاي شکر از هم --> صرف انرژي --> گرماگير
۲ – جداشدن مولکولهاي آب از هم --> صرف انرژي --> گرماگير
۳ – پراکنده شدن همگن مولکولهاي شکر در آب --> نيروهاي جاذبه تازه بين مولکولهاي شکر و آب به وجود مي آيد --> گرماده

گرماي انحلال از جمع جبري مراحل ۱ و ۲ و ۳ به دست مي آيد. انحلال شکر در آب گرماگير است چون

انحلال شکرΔH = ΔH1+ΔH2+ΔH3

ΔH>0 ---> انحلال شکر گرماگير
ΔH >0 ---> انحلال گرماگير است
ΔH < 0 ---> انحلال گرماده است  

  مثال : تغييرات انرژي در ضمن انحلال يک ترکيب در آب به شرح زير است. با توجه به اين مقدارها پيش بيني کنيد که آيا اين ماده در آب حل مي شود يا نه :
ΔH1 = + ۸۳۵ KJ براي جدا شدن ذره هاي حل شونده از هم
ΔH 2 = +98 KJ براي جدا شدن ذره هاي حلال از هم
ΔH 3 = -۸۰۵ KJ براي برقراري جاذبه بين ذره هاي حل شونده و حلال

ΔH انحلال  = ΔH1 + ΔH2+ ΔH3 = (+835KJ) + (+98kj) + (-805Kj) = + 128 Kj  

  مثال :

اگر انرژي لازم براي فروپاشي شبکه بلوري KCL ۷۰۱/۲ کيلو ژول بر مول و مجموعه انرژي آزاد شده در آب پوشي يونهاي K+ ، cl- ، ۶۸۴/۱ کيلو ژول بر مول باشد. ΔHانحلال را محاسبه کنيد.  

  تغيير آنتروپي در فرايند انحلال را مي توان به صورت زير بيان کرد :

حل شدن جامد در مايع ---> افزايش آنتروپي ---> بي نظمي بيشتر
حل شدن مايع در مايع ---> افزايش آنتروپي ---> بي نظمي بيشتر
حل شدن گاز در مايع ---> کاهش آنتروپي ---> بي نظمي کمتر