شیمی

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

 انحلال شکر ΔH>0 Þ گرماگير

ΔH >0 Þ انحلال گرماگير است

ΔH < 0 Þ 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

ΔH > 0 Þ احتمالا ً حل نمي شود

 

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.

 

پاسخ :

در مورد جامدات يوني که يونهاي آنها پس از تفکيک در آب ، آب پوشيده مي شوند، مجموع مراحل ۲ و ۳ را مراحل آب پوشي مي نامند (ΔH3   +  ΔH2 )

Δ H = ΔH₁ مرحله تفکيک + ΔH₂ + ΔH₃ مراحل آب پوشي

 ΔH 701/2 = انحلال   KJ - 684/1 KJ =  +17/1 KJ Þ انحلال گرما گير است.

اين انحلال گرماگير است ولي خود به خود انجام مي شود . زيرا عامل ديگري بجز انرژي در آن دخالت دارد. اين عامل آنتروپي است. حل شدن جامد در مايع با افزايش آنتروپي همراه است.

 

 

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

 

 

خواص کوليگاتيو محلولها

خواصي هستند که به تعداد ذره هاي حل شونده ي موجود در محلول (نه به نوع ذره ها ) بستگي دارد مثل فشار بخار ، نقطه جوش و نقطه انجماد

 

 

فشار بخار

به فشار ناشي از حضور مولکولهاي بخار در بالاي مايع ، فشار بخار مايع گفته مي شود. سرعت تبخير هر مايع به تعداد مولکولهاي مايع موجود در سطح بستگي دارد. وقتي ماده غير فراري در حلال مايع حل مي شود، معمولاً در سطح مايع برخي ذره هاي حل شونده  جاي ذره هاي حلال را مي گيرد و از اين رو سرعت تبخير را کاهش مي دهد.

 

 

مقايسه دماي جوش و دماي انجماد حلال خالص و محلول

جوشيدن زماني رخ مي دهد که فشار بخار مايع با فشار هواي روي سطح مايع (فشار محيط) برابر شود. وقتي ماده ي غير فرار مثل شکر را در حلال را مي گيرد و از اين رو سرعت تبخير را کاهش مي دهد.

 

 

مقايسه دماي جوش و دماي انجماد حلال خالص و محلول

جوشيدن زماني رخ مي دهد که فشار بخار مايع با فشار هواي روي سطح مايع (فشار محيط ) برابر شود. وقتي ماده ي غير فرار مثل شکر را در حلال مايع مثل آب حل مي کنيم معمولاً تمام مولکولهاي واقع در سطح مايع از نوع حلال نيستند . بلکه برخي از مولکولهاي حل شونده جاي مولکولهاي حلال را مي گيرند و باعث کاهش فشار بخار مي شوند. در نتيجه براي اينکه فشار بخار محلول با محيط يکي شود بايد مولکول ها از زير به سطح آورده شوند و براي اين کار به انرژي نياز است پس دماي جوش محلول نسبت به حلال خالص زيادتر است .

 

انحلال يک ماده ي حل شدني در حلال مايع همچنين بر نقطه ي انجماد محلول هم تاثير مي گذارد و نقطه ي انجماد را کاهش مي دهد.

ميزان افزايش نقطه جوش و کاهش نقطه انجماد بستگي به تعداد ذره هاي حل شده دارد نه نوع آنها.

 

 

محلول ، کلوييد و سوسپانسيون

محلول  يک مخلوط همگن است که ذره هاي حل شونده آن بسيار ريز هستند و وقتي نور از آنها عبور مي کند، پخش نور محسوس نيست (مثل نمک در آب )

 

سوسپانسيون : يک مخلوط ناهمگن است که ذره هاي تشکيل دهنده آن پس از مدتي ته نشين مي شوند. اندازه ي اين ذرات بزرگتر از اندازه ي ذره هاي موجود در محلول و کلوييد است . سوسپانسيون ها پايدار نيستند. (مثل خاک در آب)

 

کلوييد يک مخلوط است با ذراتي که اندازه ي آنها بزرگتر تر از اندازه ي ذرات در محلول است. کلوييدها نور را پخش مي کنند. ذره ها در کلوييد به صورت معلق و پراکنده هستند. کلوييدها حداقل از دو فاز تشکيل شده اند يکي فاز پراکنده شونده و ديگري فاز پراکنده کننده (مثل نشاسته در آب)

 

 

خواص کلوييدها

۱) اثر تنيدال : اگر پرتوي نور از درون مخلوط کلوييد بگذرد بوسيله ذره هاي تشکيل دهنده آن پخش مي شود. اين پديده را اثر تنيدال ناميده اند.

 

۲) حرکت براوني : ذره هاي کلوييدي هنگامي که به هم مي رسند، در برخورد با هم تغيير سير مي دهند. به اين حرکت دايمي و نامنظم ذره هاي کلوييدي حرکت براوني مي گويند.

 

۳) بارالکتريکي ذره هاي کلوييدي: ذره هاي کلوييدي در سطح خود داراي نوعي بار الکتريکي هستند. پايداري کلوييدها را به اين بار الکتريکي نسبت مي دهند.

 

۴ ) لخته شدن : لخته شدن ناشي از قرار گرفتن ذره هاي باردار الکتروليت در بين ذره هاي کلوييدي و کاهش دافعه بين آنهاست. کاهش اين دافعه در نهايت به گرد هم آيي ذره هاي کلوييدي و انعقاد آنها مي انجامد.

 

 

صابون و نقش امولسيون کنندگي آن

چرک لباس و پوست بدن بيشتر از جنس چربي است. اما چربي با آب پاک نمي شود چون در آب نامحلول است. از صابون به عنوان يک امولسيون کننده که امولسيون پايداري از چرک در آب تشکيل مي دهد، استفاده مي شود. مولکول صابون داراي دو قسمت است يک قسمت ناقطبي و يک سر قطبي . به همين دليل صابون هم در آب حل مي شود و هم چربي را از پارچه يا پوست جدا مي کند و به اين ترتيب چرک را پاک مي کند.

 

 

پاک کننده هاي غيرصابوني

در اين پاک کننده ها به جاي گروه کربوکسيل (^-CO2   - ) صابون گروههاي ديگري از جمله گروه سولفانات ( SO_3-   - ) به کار رفته است و حسن آن در اين است که در آبهاي سخت هم به خوبي کف مي کند.

 

 

پاک کردن لکه هاي لباس در خشک شويي ها

در خشک شويي ها براي از بين بردن لکه هاي روغن و چربي از حلالي به نام تتراکلرو اتن  استفاده مي شود. اشتعال ناپذيري ، فرار بودن و امکان استفاده ي دوباره از ويژگي اين حلال است. در اين عمل ابتدا لکه شل مي شود سپس با فشار زياد برداشته مي شود.

 

 

کروماتو گرافي

کروماتوگرافي روشي براي جدا سازي است که اساس آن «متفاوت بودن سرعت اجزاي يک مخلوط به هنگام عبور از يک ماده » است. در همه روشهاي کروماتوگرافي دو فاز وجود دارد. يکي از فازها بدون حرکت است ( فاز ساکن) و فاز ديگر پيوسته جريان دارد (فاز متحرک).

 

کروماتوگرافي کاغذي : در اين روش فاز ساکن ، قطعه اي از کاغذ صافي است . يک يا چند قطره از محلول را در انتهاي کاغذ صافي مي چکانند (لکه گذاري) و بعد از خشک شدن قطره ها ، کاغذ را از قسمت لکه گذاري شده در حلال مناسبي فرو مي برند. بدون اينکه لکه وارد حلال شود. حلال هم زمان با حرکت خود در طول کاغذ مواد را از لکه حل کرده با خود به بالا مي برد. معمولاً هر جزء با سرعت متفاوتي نسبت به بقيه بالا مي رود.

 

کروماتوگرافي ستوني : در اين روش يک ستون شيشه اي يا پلاستيکي را با ماده جامدي مانند آلومينيوم اکسيد ( فاز ساکن) پر مي کنند و با حلالي مانند هگزان (فاز متحرک) مي پوشانند. مقدار کمي از مخلوط در حلال حل شده ، از بالا وارد ستون مي شود. اجزاي مخلوط در بالاي ستون جذب فاز ساکن مي شوند. سپس حلال تازه را پيوسته و از بالا روي ستوان مي ريزند.

 

حلال ، با عبور از ميان ستون اجزاي مخلوط را با خود حمل مي کند. سرعت حرکت اجزا مخلوط به ميزان چسبندگي آنها به فاز ساکن بستگي دارد. به اين ترتيب ماده اي که چسبندگي کمتري دارد، سريعتر از ستون خارج مي شود و به ترتيب اجزا يکي يکي از ستون توسط حلال خارج مي شوند. اگر فاز ساکن يک ماده با توانايي مبادله يون باشد کروماتوگرافي مبادله گر يون ناميده مي شود.

 

 

سوالات

1- مولاليته يک محلول 5/0 M ساکاروز را تعيين کنيد در صورتي که جرم حجمي اين محلول برابر  gml^-1 1/0638  باشد. (جرم مولي ساکاروز برابر 40/342 g.mol^-1  مي باشد)

 پاسخ   0/5601   mol . kg ^-1

 

 

2- اگر  ، Nacl g5  درH2O g۲۵    حل شده باشد و جرم حجمي محلول برابر     gml ^-1 ۱/۱۲ باشد، مولاريته محلول را حساب کنيد.

NaCL = ۵۸/۴۴   g ml ^-1

 پاسخ  ۳/۲   mol . L ^-1

 

 

3- براي تهيه 2/5 ليتر محلول پتاسيم پرمنگنات M 0/12 چند گرم KMno4  لازم است ؟

(جرم مولي KMno4 برابر   158g.mol ^-1 مي باشد)

 پاسخ  ۴۷/۴  g

 

 

4- چند مول Ag+  را در  ml ۲۵  محلول  AgNO3، M 0/75 وجود دارد؟

 پاسخ   ۰۱۹/0 Mol

 

 

5- محلول آهن ( ۳) نيترات با مولاريته 65/0   M و محلول آمونيوم کربنات با مولاريته 5/1 M در اختيار است.

الف ) معادله يوني واکنش انجام شده را بنويسيد.

 

ب ) اگر 200 ml از هر يک دو محلول را در يک ظرف با هم ترکيب کنيم چند گرم رسوب از نظر تئوري بدست مي آيد؟

 

ج ) مولاريته يون واکنش دهنده ي اضافي چقدر است؟

1) 2 Fe ⁺³ (ag) + 3 Co3 ^-2 (ag) ® Fe ₂ (co3) ₃ (s)

2) 19 g

3) 0/263 M

 

 

6- محلولي شامل g۱ اتانول (C2H2OH) در 100g  آب است . حجم اين محلول ۱۰۱ ml  مي باشد. مولاريته ، درصد حجمي و مولاريته محلول را تعيين کنيد.

جرم مولي اتانول =  07/46 g.ml^-1

پاسخ 215/0 M   و   % 0/99 و  0/217 m

 

 

7- کداميک از دو حلال آب يا کربن تتراکلريد را براي انحلال و ترکيبهاي زير انتخاب مي کنيد؟

الف ) CS2

ب) CH3 _ (CH2)₁₀ _ CH₂ OH

ج) C6 H6

د) CH3 _ C _  OH

 

 

8- انرژي حاصل از آب پوشي CSI را محاسبه کنيد در صورتي که ΔH  انحلال برابر 33KJ.mol باشد و انرژي شبکه بلوري  604kj.mol باشد.

 

 

9- توضيح دهيد چرا بيشتر جامدها در دماي بالاتر بهتر در آب حل مي شوند؟

 

 

 

غلظت و روشهاي بيان آن

اگر مقدار ماده حل شده در مقدار معيني حلال مشخص باشد، مي توان غلظت محلول را مشخص کرد. غلظت را مي توان به چند صورت بيان کرد.

 

۱۰۰  ×

جرم ماده حل شونده جرم محلول

= درصد جرم

 

Þ     g / L

مقدار ماده حل شونده به گرم   حجم محلول به ليتر

= غلظت معمولي

Þ  mol / L

مقدار ماده حل شونده به مول حجم محلول به ليتر

= غلظت مولار M =

Þ  mol / kg

مقدار ماده حل شونده به مول جرم حلال به کيلوگرم

= غلظت مولال M =

مثال : مولاليته يک محلول 12/5% گلوکوز ( C6H12O6) در آب چه قدر است؟

C6H12O6 =   180. g.mol ^-1

ابتدا بايد مول گلوکز را بدست آوريم

 

= 0/069 mol

(

۱ mol گلوکز ۱۸۰ g گلوکز

)

Mol گلوکز    12/5 = گلوکز

سپس جرم آب را بدست مي آوريم.

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 مولاليته  =

مثال : براي تهيه ۲۵۰ mol محلول HNO3 با غلظت ۲ M چند گرم محلول نيتريک اسيد غليظ ۷۰ % جرمي لازم است ؟ g.mol^-1 ۶۳ = HNO3

پاسخ : ابتدا تعداد مول اسيد لازم را تعيين مي کنيم.

۲۵۰ ml = 0/۲۵۰L

 

= 0/۵۰  mol

(

۲mol HNO3  1 L محلول

)

* mol   HNO3 = 0/  ۲۵ L محلول

سپس گرم اسيد لازم را تعيين مي کنيم.

= ۳۱/۵ g HNO3  اسيد خالص

(

63 G HNO3 1 mol HNO3

)

* g HNO3 =  0/۵  mol HNO3

= ۴۵ g جرم اسيد۷۰%لازم

(

100 g HNO3 محلول غليظ ۷۰ گرم  HNO3

)

* HNO3 = ۳۱/۵  g

استوکيومتري محلولها

 انجام واکنش چه در محلول باشد چه در محلول نباشد، محاسبات بنابر نسبت مولي حاصل از معادله ي شيميايي موازنه شده است. در حل مسايل مربوط به استوکيومتري مطابق مراحل زير عمل مي کنيم.

 

۱ – مقادير داده شده ي مربوط به فرآورده ها و مواد اوليه را به مول تبديل مي کنيم.

۲ – با استفاده از مقادير بدست آمده در بالا و با استفاده از ضريب تبديل مناسب ، مولهاي خواسته شده در مساله را محاسبه مي کنيم.

۳ – مقادير مولي بدست آمده را به واحدهاي خواسته شده در مساله تبديل مي کنيم.

 

مثال : در صورتي که مقدار   mol ۳۵  از محلول 0/125 ، Nacl   با مقدار اضافي منيزيم نيترات Mg(N0₃) ₂   واکنش دهد، حداکثر چند گرم MgCL2 بدست مي آيد.

 (  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

محلولهاي الکتروليت و غير الکتروليت

ترکيبهايي مانند NaCL ، HCL، H2 SO4 ، NaOH و ... الکتروليت قوي مي نامند. محلول آنها در آب به خوبي رساناي جريان الکتريسته است چون به صورت يوني در آب حل مي شوند.

 

ترکيبهايي مانند الکل ، شکر که صورت مولکولي حل مي شوند و توليد يون نمي کنند رساناي جريان الکتريسته نيستند و غير الکتروليت ناميده مي شوند.

 

ترکيبهايي مانند HF ، NH3  و استيک اسيد که در آب عمدتاً به صورت مولکولي حل مي شوند و مقدار کمي از مولکولها به يون تفکيک مي شوند الکتروليت ضعيف ناميده مي شوند.

 

براي مقايسه تمايل تفکيک مواد به يون هنگام حل شدن در آب يا حلال قطبي ديگر از مقياس درصد تفکيک يوني استفاده مي شود.

 

تعداد مولهاي تفکيک شده تعداد کل مولهاي حل شونده

= درصد تفکيک يوني