چرا مقدار معینی شکر در آب ناپدید میشود، اما با افزودن بیشتر آن مقداری جامد در ته ظرف میماند؟ چرا نوشابه گرم گاز خود را آسانتر از دست میدهد و چرا از سردکردن بعضی محلولها بلور تشکیل میشود؟ پاسخ این پرسشها در مفهوم انحلالپذیری است. انحلالپذیری فقط به نوع حلشونده و حلال وابسته نیست؛ دما و، برای گازها، فشار نیز اهمیت دارند. در این مقاله مرز میان غلظت و انحلالپذیری را روشن میکنیم، نمودار حلالیت را میخوانیم و جرم بلور حاصل از سردکردن یک محلول سیرشده را مرحلهبهمرحله به دست میآوریم.
انحلالپذیری را با غلظت محلول اشتباه نگیر
انحلالپذیری بیشترین مقدار حلشوندهای است که در مقدار معینی حلال و در دما و فشار مشخص میتواند محلولی پایدار بسازد. برای جامدها معمولاً آن را به صورت گرم حلشونده در ۱۰۰ گرم آب، در یک دمای معین، بیان میکنند. پس عدد انحلالپذیری بدون ذکر دما و مقدار حلال کامل نیست.
غلظت مقدار واقعی حلشونده موجود در محلول را گزارش میکند و ممکن است از حد انحلالپذیری کمتر باشد. برای مثال اگر انحلالپذیری نمکی در ۲۵ درجه سلسیوس ۳۶ گرم در ۱۰۰ گرم آب باشد، محلولی شامل ۲۰ گرم از آن نمک در ۱۰۰ گرم آب غلظتی کمتر از حد اشباع دارد. این دو عدد را فقط وقتی میتوان مستقیم مقایسه کرد که مبنای مقدار حلال و دما یکسان باشد.
- انحلالپذیری یک حد بیشینه در شرایط مشخص است
- غلظت، مقدار واقعی حلشونده در محلول را نشان میدهد
- جرم حلال با جرم کل محلول یکسان نیست
- هنگام مقایسه، دما و مبنای ۱۰۰ گرم حلال را کنترل کن
سه حالت سیرنشده، سیرشده و فراسیرشده را بشناس
در محلول سیرنشده هنوز میتوان در همان شرایط مقداری حلشونده افزود و آن را حل کرد. محلول سیرشده به بیشترین مقدار حلشونده پایدار در آن دما رسیده است. اگر جامد حلنشده نیز حضور داشته باشد، ذرهها پیوسته از جامد جدا و وارد محلول میشوند و همزمان ذرههای حلشده به جامد بازمیگردند؛ در تعادل، سرعت این دو فرایند برابر است.
محلول فراسیرشده بیشتر از مقدار تعادلی حلشونده دارد و حالتی ناپایدار است. چنین محلولی ممکن است با سردکردن آرام یک محلول داغ تهیه شود و با افزودن یک بلور کوچک یا خراش ظرف، بخشی از حلشونده اضافی را به صورت بلور جدا کند. وجود جامد اضافی در ته یک محلول سیرشده را نباید با محلول فراسیرشده یکی دانست؛ جامد تهنشینشده جزو محلول نیست.
- کمتر از حد حلالیت: سیرنشده
- برابر حد حلالیت: سیرشده
- بیشتر از حد تعادلی و ناپایدار: فراسیرشده
- حلشونده ته ظرف در محاسبه جرم محلول وارد نمیشود
اثر دما را برای جامدها از داده یا نمودار بخوان
انحلالپذیری بسیاری از جامدهای یونی در آب با افزایش دما بیشتر میشود، اما این یک قانون بدون استثنا نیست. اندازه و حتی جهت تغییر به گرمای فرایند انحلال وابسته است؛ بنابراین در مسئلهها باید جدول یا نمودار همان ماده را مرجع قرار دهیم. شیب رو به بالای نمودار یعنی با گرمکردن، مقدار بیشتری از جامد در ۱۰۰ گرم آب حل میشود.
در نموداری که محور افقی دما و محور عمودی گرم حلشونده در ۱۰۰ گرم آب است، نقطه روی منحنی حالت سیرشده را نشان میدهد. نقطه زیر منحنی به محلول سیرنشده مربوط است و نقطه بالای منحنی، اگر همه ماده واقعاً حل شده باشد، حالت فراسیرشده را نمایش میدهد. اگر مخلوطی بالای ظرفیت حلالیت داشته باشیم اما مقداری جامد ته ظرف مانده باشد، بخش مایع سیرشده است، نه فراسیرشده.
- روند هر ماده را از نمودار خودش تعیین کن
- روی منحنی: سیرشده
- زیر منحنی: سیرنشده
- بالای منحنی و کاملاً حلشده: فراسیرشده
- افزایش دما همیشه انحلالپذیری همه جامدها را زیاد نمیکند
فشار و دما بر انحلال گازها اثر متفاوت دارند
در دمای ثابت، افزایش فشار گاز بالای محلول معمولاً انحلالپذیری آن گاز را بیشتر میکند. در بطری دربسته نوشابه، فشار کربندیاکسید بالاست و گاز بیشتری در مایع حل میماند. با بازکردن در بطری فشار کاهش مییابد و حبابهای CO₂ از محلول خارج میشوند. این اثر فشار برای حلشوندههای جامد و مایع معمولاً بسیار ناچیز است.
انحلالپذیری بیشتر گازها در آب با افزایش دما کاهش مییابد. به همین دلیل نوشابه گرم سریعتر گاز خود را از دست میدهد و گرمشدن آب میتواند مقدار اکسیژن محلول در دسترس آبزیان را کم کند. برای تحلیل یک سؤال، ابتدا مشخص کن حلشونده جامد است یا گاز؛ سپس اثر دما و فشار را جداگانه بررسی کن.
- گاز در فشار بیشتر: معمولاً محلولتر
- گاز در دمای بیشتر: معمولاً کممحلولتر
- اثر فشار بر حلالیت جامدها معمولاً ناچیز است
- همزدن فشار تعادلی گاز را جایگزین نمیکند
سرعت حلشدن با مقدار نهایی انحلالپذیری فرق دارد
همزدن و خردکردن یک جامد، تماس حلشونده با حلال را بیشتر میکنند و معمولاً آن را سریعتر به وضعیت نهایی میرسانند؛ اما در دمای ثابت، مقدار تعادلی انحلالپذیری را تغییر نمیدهند. پس پودر قند ممکن است سریعتر از حبه قند حل شود، ولی صرف خردکردن باعث نمیشود در پایان جرم بیشتری از همان ماده در مقدار معینی آب حل بماند.
افزایش دما میتواند هم سرعت حلشدن و هم مقدار انحلالپذیری را تغییر دهد، اما این دو اثر یکسان نیستند. در سؤالهای مفهومی بپرس: «آیا عامل فقط زمان رسیدن به حالت نهایی را عوض میکند یا خود حالت تعادلی را؟» همزدن و افزایش سطح تماس بیشتر به سرعت مربوطاند؛ نوع ماده، نوع حلال و دما میتوانند بر مقدار نهایی اثر بگذارند.
- همزدن: افزایش سرعت حلشدن
- ریزکردن: افزایش سطح تماس و سرعت حلشدن
- این دو عامل حد تعادلی حلالیت را در دمای ثابت عوض نمیکنند
- دما میتواند هم سرعت و هم مقدار انحلالپذیری را تغییر دهد
مثال حلشده: جرم بلور حاصل از سردکردن
طبق یک جدول فرض کنید انحلالپذیری KNO₃ در ۶۰ درجه سلسیوس ۱۱۰ گرم و در ۲۰ درجه سلسیوس ۳۲ گرم در ۱۰۰ گرم آب است. یک محلول سیرشده شامل ۱۱۰ گرم KNO₃ و ۱۰۰ گرم آب را از ۶۰ به ۲۰ درجه میرسانیم. اگر آب تبخیر نشود، جرم آب همان ۱۰۰ گرم باقی میماند.
در ۲۰ درجه فقط ۳۲ گرم KNO₃ میتواند در این ۱۰۰ گرم آب حل بماند؛ بنابراین جرم بلور تشکیلشده برابر ۱۱۰ − ۳۲ = ۷۸ گرم است. جرم محلول مایع نهایی ۱۰۰ + ۳۲ = ۱۳۲ گرم خواهد بود و ۷۸ گرم بلور جداگانه داریم. اگر بخشی از آب تبخیر میشد، باید ابتدا جرم حلال باقیمانده را پیدا و انحلالپذیری را متناسب با آن محاسبه میکردیم.
تمرین روشن و نکات کلیدی
تمرین: انحلالپذیری ماده X در ۴۰ درجه سلسیوس ۶۰ گرم در ۱۰۰ گرم آب است. در این دما به ۲۵۰ گرم آب، ۱۸۰ گرم X میافزاییم. ظرفیت حلشدن را پیدا کن. تناسب مینویسیم: در ۲۵۰ گرم آب، بیشترین جرم حلشونده برابر ۶۰ × ۲۵۰ ÷ ۱۰۰ = ۱۵۰ گرم است.
پس ۱۵۰ گرم حل میشود و ۳۰ گرم جامد حلنشده باقی میماند. بخش مایع یک محلول سیرشده است و جرم آن ۲۵۰ + ۱۵۰ = ۴۰۰ گرم خواهد بود. برای حل هر مسئله، نخست جرم حلال را جدا کن، ظرفیت را برای همان جرم حلال بساز و در پایان میان «جرم حلشده»، «جرم جامد باقیمانده» و «جرم کل مخلوط» تفاوت بگذار.
- واحد رایج نمودار: گرم حلشونده در ۱۰۰ گرم حلال
- برای جرم حلال متفاوت، تناسب بنویس
- بلور تشکیلشده = مقدار حلشده اولیه − مقدار قابلحل نهایی
- در محاسبه سردکردن، تبخیرشدن یا نشدن حلال را بررسی کن
- نتیجه را با حالت سیرشده، سیرنشده یا فراسیرشده کنترل کن
برای تحلیل انحلالپذیری این مسیر را اجرا کن: نوع حلشونده و دما را مشخص کن، عدد جدول یا نمودار را بر مبنای جرم واقعی حلال تبدیل کن، مقدار موجود را با ظرفیت حلشدن مقایسه و حالت محلول را تعیین کن. در سردکردن محلول سیرشده، مقدار قابلحل در دمای نهایی را از مقدار حلشده اولیه کم کن تا جرم بلور به دست آید. همزدن و خردکردن را عامل سرعت بدان، نه عامل افزایش حد تعادلی حلالیت.
مبنای آموزش، مفاهیم کتاب درسی است. برای جزئیات منابع و مقررات هر سال، دفترچه و اطلاعیه رسمی سازمان سنجش را بررسی کن.