محلولها

بخش ۳ محلولها

می دانید که بیشتر واکنشهای شیمیایی در طبیعت در حال محلول انجام می شوند، زیرا لازمه انجام واکنشهای شیمیایی برخورد موثر بین ذره های واکنش دهنده است. محلولها در واقع همان مخلوطهای همگن هستند.

فاز چیست ؟

فاز بخشی از ماده است که تمام آن از نظر ترکیب شیمیایی و خواص فیزیکی یکسان است. مثلاً یک محلول آب و نمک یک محلول تک فازی است که رنگ ، طعم ، چگالی و بقیه خواص آن در کل محلول یکسان است. وقتی جامدی ذوب می شود یا مایعی تبخیر می شود تغییر فاز انجام می شود. ماهیت شیمیایی ماده در تغییر فاز تغییر نمی کند و بنابراین تغییر فاز یک تغییر فیزیکی است.

انواع محلولها کدامند؟

محلولها می توانند مایع (آب و نمک) ، گاز (هوا) و جامد (آلیاژ فلزات) باشند. بدون شک آب مهمترین حلال در طبیعت است. محلولهایی را که آب حلال آنهاست ، محلولهای آبی می نامند. از حلالهای مهم غیرآبی می توان اتانول ، استون و هگزان را نام برد.

انحلال پذیری در آب :

عبارت است از بیشترین مقدار یک ماده که در دمای معین در 100 گرم آب حل می شود.

پیش بینی انحلال پذیری دو ماده در یک دیگر

دانشمندان اغلب برای انحلال پذیری مواد در یکدیگر عبارت «شبیه ، شبیه را در خود حل می کند» را به کار می برند. این تشابه از نظر میزان و نوع نیروی جاذبه بین ذره های تشکیل دهنده حلال و حل شونده است. هنگامی که جسمی در یک حلال حل می شود هم ذرات حل شونده از هم دور می شوند و هم ذرات حلال از هم دور می شوند. بنابراین لازمه حل شدن جسم در حلال این است که جاذبه بین ذرههای حلال و حل شونده به وجود بیاید. مثلا ً نمک NaCL در آب خیلی خوب حل می شود چون به یونهای Na+ و cl- تفکیک می شود و به دو سر مولکول آب جذب می شود ( سر مثبت مولکول قطبی آب به سوی آنیون cl- و سر منفی مولکول آب به سوی کاتیون Na+ جذب می شود) مثال دیگر کربن تتراکلرید ccl4 است که یک ماده ناقطبی است. این ماده ناقطبی در آب حل نمی شود چون نیروی جاذبه بین مولکولهای آب خیلی قویتر از نیروهای جذبه بین مولکولهای کربن تتراکلرید است. به عبارت دیگر بین مولکولهای آب و کربن تتراکلرید جاذبه قوی برقرار نمی شود. اما ید که یک ماده ناقطبی است می تواند در کربن تتراکلرید حل شود زیرا نیروی جاذبه بین مولکولهای ید و مولکولهای کربن تتراکلرید مشابه است. بنابر این می توان گفت معمولاً مواد قطبی در حلالهای قطبی ، مواد ناقطبی در حلالهای ناقطبی و جامدهای یونی در آب و حلالهای قطبی حل می شوند. برخی از مولکولها ساختارشان دو بخش دارند یک بخش قطبی و یک بخش ناقطبی مانند الکلها ، این مواد بسته به آنکه کدام بخش غلبه بیشتری در دیگری داشته باشد در حلال ها حل می شوند مثلاً در بوتانول بخش ناقطبی بر قطبی غلبه دارد بنابراین در آب و حلالهای قطبی به مقدار کم حل می شود. بخش ناقطبی از قطبی بزرگتر است بنابراین در کل مولکول آن تقریباً ناقطبی است. گازها هم می توانند در آب حل شوند. انحلال پذیری گازها در آب تابع فشار و دما است. هر چه فشار بیشتر باشد و دما کمتر باشد گاز بیشتری در آب می تواند حل شود.

گرمای انحلال

انحلال هر ماده با تغییر گرما همراه است. تغییر آنتالپی مربوط به حل شدن یک مول حل شونده در مقدار زیادی حلال را گرمای انحلال یا آنتالپی ( انحلال ΔH) می نامند. به عنوان مثال حل شدن شکر در آب را در نظر بگیرید که شامل مراحل زیر است. ۱ – جدا شدن مولکولهای شکر از هم --> صرف انرژی --> گرماگیر ۲ – جداشدن مولکولهای آب از هم --> صرف انرژی --> گرماگیر ۳ – پراکنده شدن همگن مولکولهای شکر در آب --> نیروهای جاذبه تازه بین مولکولهای شکر و آب به وجود می آید --> گرماده گرمای انحلال از جمع جبری مراحل ۱ و ۲ و ۳ به دست می آید. انحلال شکر در آب گرماگیر است چون انحلال شکرΔH = ΔH1+ΔH2+ΔH3 ΔH>0 ---> انحلال شکر گرماگیر ΔH >0 ---> انحلال گرماگیر است ΔH < 0 ---> انحلال گرماده است

مثال : تغییرات انرژی در ضمن انحلال یک ترکیب در آب به شرح زیر است. با توجه به این مقدارها پیش بینی کنید که آیا این ماده در آب حل می شود یا نه : ΔH1 = + ۸۳۵ KJ برای جدا شدن ذره های حل شونده از هم ΔH 2 = +98 KJ برای جدا شدن ذره های حلال از هم ΔH 3 = -۸۰۵ KJ برای برقراری جاذبه بین ذره های حل شونده و حلال

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

مثال :

اگر انرژی لازم برای فروپاشی شبکه بلوری KCL ۷۰۱/۲ کیلو ژول بر مول و مجموعه انرژی آزاد شده در آب پوشی یونهای K+ ، cl- ، ۶۸۴/۱ کیلو ژول بر مول باشد. ΔHانحلال را محاسبه کنید.

تغییر آنتروپی در فرایند انحلال را می توان به صورت زیر بیان کرد :

حل شدن جامد در مایع ---> افزایش آنتروپی ---> بی نظمی بیشتر حل شدن مایع در مایع ---> افزایش آنتروپی ---> بی نظمی بیشتر حل شدن گاز در مایع ---> کاهش آنتروپی ---> بی نظمی کمتر

 

غلظت و روشهای بیان آن

اگر مقدار ماده حل شده در مقدار معینی حلال مشخص باشد، می توان غلظت محلول را مشخص کرد. غلظت را می توان به چند صورت بیان کرد.      ۱۰۰  × جرم ماده حل شونده جرم محلول = درصد جرم ==>g / L مقدار ماده حل شونده به گرم   حجم محلول به لیتر = غلظت معمولی  ==>mol/L مقدار ماده حل شونده به مول حجم محلول به لیتر =غلظت مولارM=

mol / kg<== مقدار ماده حل شونده به مول جرم حلال به کیلوگرم =غلظت مولالM=

مثال : مولالیته یک محلول 12/5% گلوکوز ( C6H12O6) در آب چه قدر است؟ C6H12O6=180.g.mol-1 ابتدا باید مول گلوکز را بدست آوریم

= 0/069 mol ۱ mol گلوکز ۱۸۰ g گلوکز Mol گلوکز12/5= گلوکز سپس جرم آب را بدست می آوریم. 100g -12/5 g = 87/5gجرم آب  = 0/0۸۷۵ kg ( ۱kg   1۰۰۰g ) Kg آب  = ۸۷/۵   = ./ ۷۸۸ mol .kg -1 0/069 0/0875 = تعدادمول گلوکز  جرم آب kg M مولالیته  =

مثال : برای تهیه ۲۵۰ mol محلول HNO3 با غلظت ۲ M چند گرم محلول نیتریک اسید غلیظ ۷۰ % جرمی لازم است ؟ g.mol-1 ۶۳ = HNO3

پاسخ : ابتدا تعداد مول اسید لازم را تعیین می کنیم. ۲۵۰L/۲۵۰ml=0  = 0/۵۰  mol ( ۲mol HNO3  1 L محلول ) * mol   HNO3 = 0/  ۲۵ L محلول  سپس گرم اسید لازم را تعیین می کنیم. = ۳۱/۵ g HNO3 اسید خالص 63 G HNO3 1 mol HNO3 * g HNO3 =  0/۵  mol HNO3  = ۴۵ g جرم اسید۷۰%لازم 100 g HNO3 محلول غلیظ ۷۰ گرم  HNO3 * HNO3 = ۳۱/۵  g

اسید کیومتری محلولها

انجام واکنش چه در محلول باشد چه در محلول نباشد، محاسبات بنابر نسبت مولی حاصل از معادله ی شیمیایی موازنه شده است. در حل مسایل مربوط به استوکیومتری مطابق مراحل زیر عمل می کنیم. ۱ – مقادیر داده شده ی مربوط به فرآورده ها و مواد اولیه را به مول تبدیل می کنیم. ۲ – با استفاده از مقادیر بدست آمده در بالا و با استفاده از ضریب تبدیل مناسب ، مولهای خواسته شده در مساله را محاسبه می کنیم. ۳ – مقادیر مولی بدست آمده را به واحدهای خواسته شده در مساله تبدیل می کنیم.

مثال : در صورتی که مقدار mol ۳۵  از محلول 0/125 ، Nacl  با مقدار اضافی منیزیم نیترات Mg(N03) 2  واکنش دهد، حداکثر چند گرم MgCL2 بدست می آید.  ( Mgcl2  = ۹۵/۲۱mol -1  ) ۲ Nacl + Mg(N03) 2 ---> MgCL2 + 2 Na NO3  350 : پاسخ ml =  ./350 L mol NaCL  = M × V = (  0/125 mol/L)(./35 L) = 0/۰۴۳۸ mol Nacl ؟  = 0/۰۲۱۹mol MgCL2 1 mol Mg CL2 2 mol NaCL * mol MgCL2  =  0/۰۲۱۹  mol MgCL2

=  ۲/۰۹ g  Mgcl2 95/1 g Mg CL2 1 mol MgCL2 ? g MgCL2  =  g HNO3

محلولهای الکترولیت و غیر الکترولیت

ترکیبهایی مانند NaCL ، HCL، H2 SO4 ، NaOH و ... الکترولیت قوی می نامند. محلول آنها در آب به خوبی رسانای جریان الکتریسته است چون به صورت یونی در آب حل می شوند. ترکیبهایی مانند الکل ، شکر که صورت مولکولی حل می شوند و تولید یون نمی کنند رسانای جریان الکتریسته نیستند و غیر الکترولیت نامیده می شوند. ترکیبهایی مانند HF ، NH3 و استیک اسید که در آب عمدتاً به صورت مولکولی حل می شوند و مقدار کمی از مولکولها به یون تفکیک می شوند الکترولیت ضعیف نامیده می شوند. برای مقایسه تمایل تفکیک مواد به یون هنگام حل شدن در آب یا حلال قطبی دیگر از مقیاس درصد تفکیک یونی استفاده می شود.

تعداد مولهای تفکیک شده تعداد کل مولهای حل شونده = درصد تفکیک یونی خواص کولیگاتیو محلولها خواصی هستند که به تعداد ذره های حل شونده ی موجود در محلول (نه به نوع ذره ها ) بستگی دارد مثل فشار بخار ، نقطه جوش و نقطه انجماد   فشار بخار به فشار ناشی از حضور مولکولهای بخار در بالای مایع ، فشار بخار مایع گفته می شود. سرعت تبخیر هر مایع به تعداد مولکولهای مایع موجود در سطح بستگی دارد. وقتی ماده غیر فراری در حلال مایع حل می شود، معمولاً در سطح مایع برخی ذره های حل شونده جای ذره های حلال را می گیرد و از این رو سرعت تبخیر را کاهش می دهد.     مقایسه دمای جوش و دمای انجماد حلال خالص و محلول جوشیدن زمانی رخ می دهد که فشار بخار مایع با فشار هوای روی سطح مایع (فشار محیط) برابر شود. وقتی ماده ی غیر فرار مثل شکر را در حلال را می گیرد و از این رو سرعت تبخیر را کاهش می دهد.     مقایسه دمای جوش و دمای انجماد حلال خالص و محلول جوشیدن زمانی رخ می دهد که فشار بخار مایع با فشار هوای روی سطح مایع (فشار محیط ) برابر شود. وقتی ماده ی غیر فرار مثل شکر را در حلال مایع مثل آب حل می کنیم معمولاً تمام مولکولهای واقع در سطح مایع از نوع حلال نیستند . بلکه برخی از مولکولهای حل شونده جای مولکولهای حلال را می گیرند و باعث کاهش فشار بخار می شوند. در نتیجه برای اینکه فشار بخار محلول با محیط یکی شود باید مولکول ها از زیر به سطح آورده شوند و برای این کار به انرژی نیاز است پس دمای جوش محلول نسبت به حلال خالص زیادتر است . انحلال یک ماده ی حل شدنی در حلال مایع همچنین بر نقطه ی انجماد محلول هم تاثیر می گذارد و نقطه ی انجماد را کاهش می دهد. میزان افزایش نقطه جوش و کاهش نقطه انجماد بستگی به تعداد ذره های حل شده دارد نه نوع آنها.     محلول ، کلویید و سوسپانسیون محلول یک مخلوط همگن است که ذره های حل شونده آن بسیار ریز هستند و وقتی نور از آنها عبور می کند، پخش نور محسوس نیست (مثل نمک در آب )     سوسپانسیون : یک مخلوط ناهمگن است که ذره های تشکیل دهنده آن پس از مدتی ته نشین می شوند. اندازه ی این ذرات بزرگتر از اندازه ی ذره های موجود در محلول و کلویید است . سوسپانسیون ها پایدار نیستند. (مثل خاک در آب)     کلویید یک مخلوط است با ذراتی که اندازه ی آنها بزرگتر تر از اندازه ی ذرات در محلول است. کلوییدها نور را پخش می کنند. ذره ها در کلویید به صورت معلق و پراکنده هستند. کلوییدها حداقل از دو فاز تشکیل شده اند یکی فاز پراکنده شونده و دیگری فاز پراکنده کننده (مثل نشاسته در آب)     خواص کلوییدها ۱) اثر تنیدال : اگر پرتوی نور از درون مخلوط کلویید بگذرد بوسیله ذره های تشکیل دهنده آن پخش می شود. این پدیده را اثر تنیدال نامیده اند. ۲) حرکت براونی : ذره های کلوییدی هنگامی که به هم می رسند، در برخورد با هم تغییر سیر می دهند. به این حرکت دایمی و نامنظم ذره های کلوییدی حرکت براونی می گویند. ۳) بارالکتریکی ذره های کلوییدی: ذره های کلوییدی در سطح خود دارای نوعی بار الکتریکی هستند. پایداری کلوییدها را به این بار الکتریکی نسبت می دهند. ۴ ) لخته شدن : لخته شدن ناشی از قرار گرفتن ذره های باردار الکترولیت در بین ذره های کلوییدی و کاهش دافعه بین آنهاست. کاهش این دافعه در نهایت به گرد هم آیی ذره های کلوییدی و انعقاد آنها می انجامد.     صابون و نقش امولسیون کنندگی آن چرک لباس و پوست بدن بیشتر از جنس چربی است. اما چربی با آب پاک نمی شود چون در آب نامحلول است. از صابون به عنوان یک امولسیون کننده که امولسیون پایداری از چرک در آب تشکیل می دهد، استفاده می شود. مولکول صابون دارای دو قسمت است یک قسمت ناقطبی و یک سر قطبی . به همین دلیل صابون هم در آب حل می شود و هم چربی را از پارچه یا پوست جدا می کند و به این ترتیب چرک را پاک می کند.     پاک کننده های غیرصابونی در این پاک کننده ها به جای گروه کربوکسیل (-CO2 - ) صابون گروههای دیگری از جمله گروه سولفانات ( SO3- - ) به کار رفته است و حسن آن در این است که در آبهای سخت هم به خوبی کف می کند.   پاک کردن لکه های لباس در خشک شویی ها   در خشک شویی ها برای از بین بردن لکه های روغن و چربی از حلالی به نام تتراکلرو اتن استفاده می شود. اشتعال ناپذیری ، فرار بودن و امکان استفاده ی دوباره از ویژگی این حلال است. در این عمل ابتدا لکه شل می شود سپس با فشار زیاد برداشته می شود.   کروماتو گرافی کروماتوگرافی روشی برای جدا سازی است که اساس آن «متفاوت بودن سرعت اجزای یک مخلوط به هنگام عبور از یک ماده » است. در همه روشهای کروماتوگرافی دو فاز وجود دارد. یکی از فازها بدون حرکت است ( فاز ساکن) و فاز دیگر پیوسته جریان دارد (فاز متحرک).     کروماتوگرافی کاغذی : در این روش فاز ساکن ، قطعه ای از کاغذ صافی است . یک یا چند قطره از محلول را در انتهای کاغذ صافی می چکانند (لکه گذاری) و بعد از خشک شدن قطره ها ، کاغذ را از قسمت لکه گذاری شده در حلال مناسبی فرو می برند. بدون اینکه لکه وارد حلال شود. حلال هم زمان با حرکت خود در طول کاغذ مواد را از لکه حل کرده با خود به بالا می برد. معمولاً هر جزء با سرعت متفاوتی نسبت به بقیه بالا می رود.     کروماتوگرافی ستونی : در این روش یک ستون شیشه ای یا پلاستیکی را با ماده جامدی مانند آلومینیوم اکسید ( فاز ساکن) پر می کنند و با حلالی مانند هگزان (فاز متحرک) می پوشانند. مقدار کمی از مخلوط در حلال حل شده ، از بالا وارد ستون می شود. اجزای مخلوط در بالای ستون جذب فاز ساکن می شوند. سپس حلال تازه را پیوسته و از بالا روی ستوان می ریزند. حلال ، با عبور از میان ستون اجزای مخلوط را با خود حمل می کند. سرعت حرکت اجزا مخلوط به میزان چسبندگی آنها به فاز ساکن بستگی دارد. به این ترتیب ماده ای که چسبندگی کمتری دارد، سریعتر از ستون خارج می شود و به ترتیب اجزا یکی یکی از ستون توسط حلال خارج می شوند. اگر فاز ساکن یک ماده با توانایی مبادله یون باشد کروماتوگرافی مبادله گر یون نامیده می شود.     سوالات 1- مولالیته یک محلول 5/0 M ساکاروز را تعیین کنید در صورتی که جرم حجمی این محلول برابر gml-1 1/0638 باشد. (جرم مولی ساکاروز برابر 40/342 g.mol-1 می باشد) پاسخ 5601/0 mol . kg -1     2- اگر ، Nacl g5 درH2O g۲۵ حل شده باشد و جرم حجمی محلول برابر gml -1 ۱/۱۲ باشد، مولاریته محلول را حساب کنید. NaCL = ۵۸/۴۴ g ml -1 پاسخ ۳/۲ mol . L -1     3- برای تهیه 2/5 لیتر محلول پتاسیم پرمنگنات M 0/12 چند گرم KMno4 لازم است ؟ (جرم مولی KMno4 برابر 158g.mol -1 می باشد) پاسخ 4/47 g     4- چند مول Ag+ را در ml ۲۵ محلول AgNO3، M 0/75 وجود دارد؟ پاسخ ۰۱۹/0 Mol     5- محلول آهن ( ۳) نیترات با مولاریته 65/0 M و محلول آمونیوم کربنات با مولاریته 5/1 M در اختیار است. الف ) معادله یونی واکنش انجام شده را بنویسید. ب ) اگر 200 ml از هر یک دو محلول را در یک ظرف با هم ترکیب کنیم چند گرم رسوب از نظر تئوری بدست می آید؟ ج ) مولاریته یون واکنش دهنده ی اضافی چقدر است؟ 1)(2Fe +3 (ag) + 3 Co3 -2 (ag) ===> Fe 2 (co3) 3 (s 2) 19 g 3) 0/263 M     6- محلولی شامل g۱ اتانول (C2H2OH) در 100g آب است . حجم این محلول ۱۰۱ ml می باشد. مولاریته ، درصد حجمی و مولاریته محلول را تعیین کنید. جرم مولی اتانول = 07/46 g.ml-1 پاسخ 215/0 M و % 0/99 و 0/217 m     7- کدامیک از دو حلال آب یا کربن تتراکلرید را برای انحلال و ترکیبهای زیر انتخاب می کنید؟ الف ) CS2 ب) CH3 _ (CH2)10 _ CH2 OH ج) C6 H6 د) CH3 _ C _ OH     8- انرژی حاصل از آب پوشی CSI را محاسبه کنید در صورتی که ΔH انحلال برابر 33KJ.mol باشد و انرژی شبکه بلوری 604kj.mol باشد. 9- توضیح دهید چرا بیشتر جامدها در دمای بالاتر بهتر در آب حل می شوند؟