محلول آبی و غیر آبی – بررسی تفاوت به زبان ساده

محلول آبی محلولی است که حلال آن آب باشد. این محلول‌ها بیشتر در واکنش‌های شیمیایی با پسوند «aq» در کنار فرمول شیمیایی ماده حل‌شونده نشان داده می‌شوند. محلول غیر آبی محلولی است که حلال آن ماده‌ای به غیر از آب باشد. محلول‌های غیر آبی می‌توانند از نوع آلی مانند استون و غیر آلی مانند سولفوریک اسید باشند. محلول‌های آبی می‌توانند ترکیبات یونی بسیاری را در خود حل کرده و رسانای الکتریسیته باشند. در این مطلب از مجله فرادرس به بررسی و توضیح محلول آبی و غیر آبی می‌پردازیم و پیوند‌ها و واکنش‌های آن‌ها را بررسی می کنیم.

در ابتدای این مطلب توضیح می‌دهیم محلول آبی و غیر آبی چیست و چه تفاوت‌هایی دارند. سپس انواع این محلول‌ها را از جنبه‌های مختلف بررسی می‌کنیم. در ادامه، واکنش‌های محلول‌های آبی، انحلال‌پذیری ترکیبات در آب و تفاوت محلول و مایع را توضیح می‌دهیم. بسیاری از مواد در حلال آب، محلول الکترولیت تولید می‌کنند. در ادامه متن به بررسی محلول الکترولیت و غیرالکترولیت پرداخته و فرآیند تفکیک را در این محلول‌ها بررسی می‌کنیم. در نهایت برخی از اصطلاحات مربوط به این محلول‌ها مانند قطبیت مواد، فرآیند آب‌پوشی و پیوند هیدروژنی را توضیح می‌دهیم و مثال هایی از محلول‌های آبی و غیر آبی را برمی‌شماریم. با مطالعه این مطلب تا انتها، می‌توانید با این محلول‌ها به شکلی کامل و کاربردی آشنا شوید.

محلول آبی و غیر آبی چیست؟

محلول‌ها از ترکیب ماده حل شونده و حلال به دست می‌آیند. حلال معمولا مایع است و حل شونده می‌تواند به فرم مایع، جامد یا گاز باشد. محلول آبی محلولی است که حلال آن آب باشد. محلول غیر آبی محلولی است که حلال آن آب نباشد. حلال محلول‌های غیر آبی می‌تواند ماده آلی مانند استون یا بنزن یا ماده معدنی مانند آمونیاک یا سولفوریک اسید باشد.

آب یک حلال عمومی است به دلیل اینکه می‌تواند مواد بیشتری را نسبت به سایر حلال‌های شناخته شده در خود حل کند. علامت (aq) که در واکنش‌های شیمیایی نوشته می‌شود از کلمه انگلیسی «aqueous» گرفته شده است. این لغت از کلمه لاتین «aqua» به معنی آب گرفته شده است.

برای مثال، نمک طعام، که با نام سدیم کلرید هم شناخته می‌شود، در آب به فرم یون سدیم و یون کلر در آمده و یک محلول آبی را تشکیل می‌دهد. به دلیل اینکه آب یک حلال خوب و در دسترس در طبیعت است، این ماده یکی از پرکاربرد‌ترین حلال‌ها در ازمایشگاه شیمی به شمار می‌رود. به دلیل اینکه آب در بیشتر مواقع به عنوان حلال به کار می‌رود، در بیشتر مواقع منظور از کلمه محلول، محلول آبی است. مگر اینکه حلال محلول به صورت جداگانه مشخص شود. در آن صورت، محلول یک محلول غیر آبی خواهد بود. در ادامه ویژگی‌های محلول آبی و غیر آبی را توضیح می‌دهیم.

محلول آبی چیست؟

برای اینکه تشخیص‌دهیم یک محلول آبی است، باید به حلال آن دقت کنیم. محلول آبی محلول است که ۵۰ درصد یا بیشتر حلال آن از آب تشکیل شده باشد. همچنین ویژگی‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند به عنوان پارامتر‌های محلول آبی در نظر گرفته شوند. برای مثال، محلول‌های غیر آبی آلی مانند الکل، استون، تولوئن، بنزن و ... معمولا شامل ترکیبات فراری هستند که بوی خاصی دارند.

همچنین بسیاری از این محلول‌های آلی بسیار سریع‌تر از محلول‌های آبی تبخیر می‌شوند. یک روش مهم دیگر برای تشخیص محلول آبی و غیر آبی این است که ترکیب حل شده در حال را بشناسیم. آب ترکیباتی را در خود حل می کند که در آب تفکیک می‌شوند و قطبی هستند. سایر حلال‌ها مانند الکل‌ها و روغن‌ها، تکیبات یونی را در خود حل نمی‌کنند.

محلول غیر آبی چیست؟

محلول غیر آبی محلول است که حلال آن مایعی بجز آب باشد. محلولی از کربن دی سولفید، بنزن، اتر یا استون نمونه‌هایی از محلول‌های غیر آبی هستند. برای مثال، اتانول می‌تواند حلال بسیاری از مواد آلی باشد که در آب حل نمی‌شوند. حلال‌های غیر آبی می‌توانند از مواد آلی یا معدنی باشند. برای مثال حلال‌هایی مانند بنزن، زایلین و استون حلال‌هایی آلی هستند. حلال‌هایی مانند آمونیاک، سولفوریک اسید، و .. حلال‌های غیر آلی هستند.

نکته:

در کتاب شیمی دهم، محلول غیر آبی، به عنوان محلول‌ آلی معرفی شده است. با اینکه این تعریف صحیح است و محلول‌های آلی، غیر آبی هستند، اما تعریف کاملی نیست. محلول‌های غیر آبی می‌توانند از نوع غیر آلی (معدنی) نیز باشند. برای مثال انواع اسید‌های معدنی مانند سولفوریک اسید و اسید کلریدریک و همچنین موادی مانند آمونیاک محلول‌های غیر آبی می‌سازند.

هنگامی که یک ماده در ماده دیگری حل می‌شود، محلول به وجود می‌آید. محلول، مخلوطی همگن است که از ماده‌ی حل شونده و حلال تشکیل شده است. همگن بودن مخلوط به این معنی است که مولکول‌ها یا یون‌هایی که در محلول وجود دارند به شکلی در محلول، مخلوط شده اند که کاملا یک‌دست هستند. و نمی‌توان به راحتی آن‌ها را از یکدیگر جدا کرد. این مخلوط‌ها و محلول‌ها نقطه مقابل مخلوط‌های غیرهمگن هستند که در آن‌ها مواد حلال و حل شونده به شکلی یک دست با یکدیگر ترکیب نشده‌اند و قابل تشخیص هستند. برای مثال ترکیب آب و ماسه یک مخلوط غیرهمگن است. ماده حل شونده ماده‌ای است که در دیگری حل می‌شود و معمولا قسمت کوچک‌تری از مخلوط را به خود اختصاص می‌دهد. حلال ماده‌ای است که ماده دیگر را در خود حل می‌کند و معمولا قسمت بیشتر از مخلوط را به خود اختصاص می‌دهد. در محلول آبی، حلال آب است و یک یا تعداد بیشتری ماده حل شونده را در خود حل می کند. مواد حل شده در آب می‌توانند در فرم گاز، مایع یا جامد باشند.

کاربرد محلول غیر آبی

با وجود اینکه آب یک حلال عمومی و دردسترس است، محلول‌های آبی نیز کاربرد‌های خاص خود را دارند. از حلال‌های غیر آبی بیشتر در مواردی استفاده می‌شود که ماده حل شونده در آب نامحلول باشد. همچنین، تیتراسیون‌های غیر آبی، از تیتراسیون‌های پرکاربرد در صنایع دارویی هستند. از حلال‌های غیر آبی در این فرآیند‌ها برای تیتراسیون اسید و باز ضعیف و حل کردن مولکول‌های نامحلول در آب استفاده می‌شود. تیتراسیون فرآیند محاسبه مقادیر یک ماده با افزودن ذره ذره از یک ماده دیگر است.

یادگیری انواع محلول با فرادرس

یکی از مباحث مهمی که در شیمی مطرح می‌شود، بحث حلالیت است. برای یادگیری حلالیت و انواع محلول باید ابتدا با مفاهیمی مانند ویژگی‌های آب، غلظت، غلظت مولار، رفتار مولکول‌ها در میدان الکتریکی، نیروهای بین مولکولی و انواع پیوند شیمیایی و ... آشنا شوید. یادگیری این مباحث در مراحل پیشرفته تر به حل مسائل استوکیومتری مربوط به غلظت و روش‌های محلول‌سازی کمک می‌کند. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر این مفاهیم و مباحث به مجموعه فیلم آموزش دروس پایه دهم فرادرس بخش شیمی مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مباحث و مفاهیم می‌پردازد.

همچنین با ممراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است،‌ می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه محلول‌ها دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش محلول سازی در آزمایشگاه
• فیلم آموزش شیمی عمومی جامع و با مفاهیم کلیدی
• فیلم آموزش شیمی ۲  پایه یازدهم رشته علوم تجربی و ریاضی و فیزیک

جدول اصطلاحات محلول ها

در ادامه جدولی از اصطاحات مربوط به محلول‌ها ارائه شده است. با درک این مفاهیم و اصطلاحات، راحت‌تر می‌توانید مفاهیم مربوط به حلال آبی و غیر آبی را درک کنید.

در ادامه توضیح هریک از این موارد ارائه شده است.

محلول چیست؟

انواع محلول‌ها مخلوطی همگن از دو یا چند ماده هستند که در آن‌ها اندازه ذرات، کوچکتر از ۱ نانومتر باشد. محلول‌ها می‌توانند در هریک از حالت‌های ماده باشند و انواع مختلفی از محلول‌ها بسته به حالت حلال و حل شونده آن‌ها وجود دارد. برای مثال، نوشیدنی‌های گازدار محلولی از گاز کربن دی اکسید در مایع هستند.

حل شونده چیست؟

موادی که در حلال حل می‌شوند را حل‌شونده گویند. معمولا میزان ماده حل شونده کمتر از حلال است. حلال و حل شونده می‌توانند در هر یک از حالت‌های ماده جامد مایع یا گاز باشند.

حلال چیست؟

ماده حلال در شیمی ماده‌ای است که قسمت بیشتری از یک محلول را تشکیل می‌دهد. آب به عنوان پرکاربردترین و در دسترس‌ترین حلال شناخته می‌شود. حلال در بیشتر مواقع مایع است اما می‌تواند به فرم گاز یا جامد نیز وجود داشته باشد. برای مثال برخی از پلیمر‌های جامد می‌توانند به عنوان محلول‌های جامد در نظر گرفته شوند. همچنین محلول‌ها می‌توانند به فرم گاز نیز باشند. برای مثال هوا می‌تواند به عنوان محلولی از گاز‌ها در نظر گرفته شود که حلال آن گاز نیتروژن که بیشترین مقدار را دارد در نظر گرفته شود.

حلالیت چیست؟

برای بررسی مفهوم محلول آبی و غیر آبی باید با مفهوم حلالیت مواد آشنا شویم. حداکثر مقداری که از یک ماده حل شونده در مقدار معلومی از یک حلال در دمای مشخص حل می‌شود، میزان حلالیت آن است. در قسمت‌های قبلی مثال حل شدن مولکول‌های شکر را در آب بررسی کردیم. کمیتی که به حل شدن شکر در آب کمک می‌کند، حلالیت آن است.

عوامل موثر بر حلالیت

مقدار ماده ای که در یک حلال مشخص در دمای مشخص حل می‌شود، می‌تواند تحت شرایط خاصی تغییر کند. عواملی مانند دما، پیوند‌های شیمیایی و فشار می‌توانند بر میزان حلالیت مواد تاثیرگذار باشند. در ادامه اثر هریک از این عوامل را بررسی خواهیم کرد.

اثر دما

با تغییر دما، می‌توان میزان حلالیت مواد را افزایش داد. به طور کلی، آب مواد مختلف را در دمایی بین ۲۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد حل می‌کند. مواد کم محلول می‌توانند با افزایش دما به طور کامل در حلال حل شوند. اما در مورد مواد حل شونده گازی، اثر دما بر حلالیت برعکس خواهد بود. با افزایش دما میزان حلالیت مواد گازی کم شده و با افزایش دما، گاز‌ها بهتر در حلال حل می‌شوند. این پدیده به علت اثر دما بر انرژی جنبشی مولکول‌های گاز است.

اثر پیوند شیمیایی

در بررسی محلول آبی و غیر آبی احتمالا با جمله «همانند همانند را حل می‌کند» مواجه خواهید شد. انواع مختلفی از پیوند‌های شیمیایی در مواد مختلف وجود دارند. برای مثال ممکن است در مواد مختلف، انواع مختلف پیوند‌های کووالانسی، پیوند‌های یونی یا کووالانسی قطبی را مشاهده کنید. در حلالیت همواره این قانون برقرار است که مواد در حلالی که نوع پیوند‌های شیمیایی آن مشابه حل شونده باشد، راحت‌تر حل خواهد شد. برای مثال، آب یک حلال با پیوند‌های کووالانسی قطبی است و مواد قطبی مانند اتانول به راحتی در آن حل می‌شوند.

پیوند‌های شیمیایی پایه و اساس علم شیمی و واکنش‌های شیمیایی هستند. پیشنهاد می‌کنیم برای یادگیری بیشتر درباره پیوند‌های شیمیایی، آموزش پیوندهای شیمیایی در شیمی عمومی فرادرس که لینک آن در ادامه آمده است را مشاهده کنید.

اثر فشار

اثر فشار بر حل‌شونده‌های گازی در محلول‌ آبی و غیر آبی بسیار بیشتر از مواد حل شونده مایع و جامد است. مواد مایع و جامد به دلیل نوع پیوند‌های بین مولکولی آن‌ها خیلی تحت اثر تغییر فشار قرار نمی‌گیرند. با افزایش فشار نسبی یک محلول، میزان حلالیت حل شونده گازی در محلول افزایش خواهد یافت.

انواع محلول

محلول‌ها بنابر مقدار ماده حل شونده می‌توانند سه نوع اشباع، فوق اشباع و اشباع نشده را داشته باشند. در ادامه هریک از این انواع محلول را توضیح خواهیم داد.

• محلول فوق اشباع: محلول فوق اشباع (فوق سیرشده) محلولی است که مقدار بسیار زیادی از ماده حل شونده در حلال ترکیب شده است. مقدار حل شونده در این نوع محلول‌ها به اندازه‌ای زیاد است که حلال نمی‌تواند تمامی مقدار حل شونده را در خود حل کند و مقداری از ماده حل شونده به شکل حل نشده در ترکیب محلول باقی می ماند. با تغییر دمای محلول فوق اشباع، به سرعت ماده حل شونده اضافی، به صورت کریستالی جامد شده و از فاز مایع خارج شده و به شکل جامدی در ته ظرف تشکیل می‌شود.
• محلول غیراشباع: محلول غیراشباع (سیر نشده)، محلولی است که حلال آن توانایی حل کردن مقادیر بیشتر حل شونده را دارد و در صورت اضافه کردن مقادیر اضافی حل شونده در حلال، تمامی آن حل می‌شود.
• محلول اشباع: محلول اشباع (سیر شده) محلولی است که در آن حلال از تمامی ظرفیت خود برای حل کردن حل شونده استفاده کرده و دیگر توانایی حل کردن مقدار بیشتر حل شونده را ندارد.

ویژگی های محلول

برای اینکه یک محلول واقعی باشد، باید شرایط پایداری داشته باشد. این به این معنی است که پس از گذشت مدت زمانی، مواد حل شونده از حلال جدا نشوند و به صورت محلول باقی بمانند. برای مثال، اگر شکر به خوبی در آب حل شود، برای مدت زمانی بسیار طولانی به صورت محلول در آب باقی خواهد ماند و از آب جدا نخواهد شد. هم چنین، اگر محلول آب و شکر را از یک فیلتر رد کنیم، بازهم مولکول‌های شکر در آب به صورت محلول باقی می‌مانند و از آن جدا نمی‌شوند.

این پدیده به این علت است که معمولا مواد حل شونده معمولا بسیار کوچک هستند و اندازه‌ای حدود کمتر از ۱ نانومتر دارند. ذرات ماده حل شونده می‌توانند اتم، یون یا مولکول باشند. جنس ذرات بسته با ماهیت ماده حل شونده می‌تواند متفاوت باشد. محلول‌ها می‌توانند رقیق یا غلیظ باشند.

آب به طور معمول بیشتر ترکیبات یونی و مولکول‌های قطبی را در خود حل می‌کند. مولکول‌های غیر قطبی، مانند مولکول‌هایی که در گریس یا روغن وجود دارند، در آب حل نمی‌شوند. در ادامه لیستی از ویژگی‌های محلول ارائه شده است.

• محلول‌ها در واقع مخلوط‌هایی همگن هستند.
• اجزای محلول‌ها بسیار کوچک هستند و اندازه‌ای حدود ۱ نانومتر دارند.
• اجزای محلول‌ها با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند.
• اجزای محلول، نور عبور داده شده را پراکنده نمی‌کنند. در نتیجه نور عبور داده شده قابل مشاهده نیست.
• مواد حل شونده قابل جداسازی از محلول نیستند و محلول پایدار است.
• مواد حل شده در محلول نمی‌توانند طی فرآیند فیلتراسیون جدا شوند.

مکانیسم انحلال

مولکول‌های آب به دلیل انرژی سینتیکی که دارند مدام در حال حرکت هستند. هنگامی که کریستال یک ترکیب یونی مانند سدیم کلرید در آب قرار می‌گیرد، مولکول‌های آب اطراف بلور کریستال را می‌گیرند. بلور کریستال ترکیبات یونی، مجموعه‌ای مرتب از یون‌های مثبت و منفی است که با ساختاری محکم و منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. آب به دلیل قطبی بودن به این کریستال‌ها جذب می‌شود. تصویر زیر این فرآیند را به خوبی نشان می‌دهد.

مولکول های قطبی آب یک سر مثبت و یک سر منفی دارند. یون‌های با بار مثبت سدیم مولکول‌های آب را از قسمت اکسیژن که بار جزئی منفی دارد جذب می‌کنند. یون‌های منفی کلرید، مولکول‌های آب را از سمت اتم هیدروژن که باز جزئی مثبت دارد جذب می‌‌کنند. در نهایت به دلیل این که قدرت جذب بین مولکول‌های آب و سدیم و کلر بیشتر از قدرت جذب بین اتم‌های سدیم کلرید است، پیوند بین اتم‌های نمک شکسته شده و مولکول‌های آب هریک از اتم‌های سدیم و کلر را در بر گرفته و نمک در آب حل می‌شود. به این فرآیند انجام شده، انحلال گفته می‌شود.

هیدراسیون چیست؟

به شکل بالا توجه کنید. هر یون سدیم با چند مولکول آب و هر یون کلرید با چند مولکول آب دیگر احاطه شده است. به این فرآیند، هیدراسیون یا آبدار کردن گرفته میشود. هیدراسیون فرآیند احاطه شدن اجزا حل شونده توسط مولکول‌های آب است. هیدراسیون به پایداری محلول‌های تشکیل شده کمک می‌کند و از نزدیک شدن دوباره یون‌ها به یکدیگر و تشکیل دوباره جامد و ترکیب یونی جلوگیری می‌کند.

فرآیند انحلال برای ترکیب‌های مولکولی مانند شکر (ساکارز) هم به همین شکل است. با این تفاوت که در این ترکیبات، اتم‌ها به وسیله پیوند‌های کووالانسی به یکدیگر متصل شده‌اند و مولکول‌های آب این پیوند‌ها را نمی‌شکنند. مولکول‌های آب در واقع نیرو‌های بین مولکولی که مولکول‌های شکر را به یکدیگر متصل کرده است می‌شکنند و ساختار شکر را تغییر نمی‌دهند. سپس هر مولکول شکر با مولکول‌های آب احاطه شده و هیدراته می‌‌شود.

انواع محلول آبی و غیر آبی

حلال‌های غیر آبی در تیتراسیون‌های غیر آبی استفاده می‌شوند. در حالت کلی ۴ نوع حلال غیر آلی آپروتیک، پروتوژنیک، پروتوفیلی و آمفیپروتیک وجود دارد. در ادامه هریک را اختصارا توضیح می دهیم.

انواع محلول غیر آبی

• حلال آپروتیک: این حلال‌ها از نظر شیمیایی غیرفعال هستند. این حلال‌ها می‌توانند سرعت واکنش‌ را در یک واکنش شیمیایی کاهش دهند. مهم‌ترین حالال‌های آپروتیک کلروفرم و بنزن هستند. این حلال‌ها خاصیت اسیدی یا بازی ندارند.
• حلال پروتوژنیک (پروتیک): این حلال‌ها خاصیت اسیدی دارند. این اسید‌ها می‌توانند یک یون هیدروژن مثبت را از دست داده و قدرت باز‌های ضعیف را افزایش دهند. اسید کلریدریک و سولفوریک اسید نمونه‌هایی از حلال پروتوژنیک هستند.
• حلال پروتوفیلیک: حلال‌های طبیعی پروتوفیلیک خاصیت بازی دارند و به شدت جذب کننده یون هیدروژن هستند. این حلال‌ها موادی مانند آمونیاک مایع، آمین‌ها و کتون‌ها هستند.
• حلال آمفیپروتیک: این حلال‌ها در ساختار خود همزمان خواص پروتوژنیک و پروتوفیلیک دارند. این مواد می‌توانند همزمان خواص اسیدی و بازی داشته باشند و هم یون هیدروژن را دریافت کرده و هم آن را از دست بدهند. برای مثال حلال‌هایی مانند الکل‌ها یا اسید‌های آلی از این دسته هستند.

انواع محلول آبی

محلول‌های آبی محلول‌هایی هستند که حلال آن‌ها تنها آب باشد. این محلول‌ها بسیارند زیرا آب حلال عمومی است و به شدت در دسترس است و کار کردن با آن بسیار راحت است. محلول‌های آبی محمولا خاصیت عبور الکتریسیسته را دارند. در ادامه انواع مختلف محلول‌های غیر آبی را بررسی می‌کنیم. این محلول‌ها شامل محلول‌های الکترولیت، الکترولیت‌های قوی و ضعیف و محلول‌های غیر الکترولیت هستند.

محلول‌های الکترولیت

محلول‌هایی که خاصیت عبور جریان الکترییسیته را دارند، محلول‌های الکترولیت هستند. از آن جا که تفکیک آب باعث می‌شود یون‌های تفکیک شده به راحتی بتوانند در محلول حرکت کنند، به جریان الکتریسیته کمک می‌کنند تا به راحتی در محلول حرکت کرده و برقرار شود. هنگامی که یک ترکیب نمکی در آب حل می شود،‌ یک محلول الکترولیت تولید می‌شود. الکترولیت نمک یا ترکیب مولکولی یونی است که در صورت انحلال به محلول اجازه عبور جریان الکتریسیته را می‌دهد.

الکترولیت‌های قوی و ضعیف

الکترولیت نمک یا ترکیب یونی است که به محلول خود اجازه عبور جربان الکتریسیته را می‌دهد. الکترولیت قوی به شکلی کامل در آب به یون‌های سازنده اش تفکیک  می‌شود در حالی که الکترولیت ضعیف در آب به شکل کامل تفکیک نمی‌شود و تا حدودی به شکل اولیه و تفکیک نشده در آب باقی می‌ماند.

محلول غیر الکترولیت

مواد غیر الکترولیت موادی هستند که در صورت انحلال در آب، یونیزه نمی‌شوند. در نتیجه، در اثر انحلال ترکیبات غیر الکترولیت در آب، جریان الکتریسیته از محلول عبور نمی‌کند. معمولا در ترکیبات غیرالکترولیت، پیوند‌های کووالانسی اجزا و اتم‌ها را به یکدیگر متصل نگه می‌دارند. برای مثال، شکر (گلوکز) یک نمونه از مواد غیرالکترولیت است. با وجود اینکه شکر به سرعت در آب حل می‌شود، توانایی عبور جریان الکتریسیته را ندارد. در نتیجه، غیر الکترولیت است.

شناسایی انواع محلول‌ها می‌تواند کمک بسیاری به انتخاب حلال مناسب برای مواد و انجام واکنش های شیمیایی کند. در مطلب زیر از مجله فرادرس به توضیح کامل روش‌های محلول‌سازی و تهیه محلول در آزمایشگاه شیمی پرداخته‌ایم.

واکنش محلول آبی

واکنش‌هایی که در محلول‌های آبی اتفاق می‌افتد معمولا از نوع جابه‌جایی دوگانه است. در این واکنش‌ها یک کاتیون جابه‌جا می‌شود تا با یک آنیون در یک ترکیب دیگر پیوند تشکیل داده و یک ترکیب یونی جدید را تولید کند. یکی از رایج ترین واکنش‌های جابه‌جایی دوگانه که در محلول‌های آبی رخ می‌دهد، واکنش رسوبی است. در واکنش‌های رسوبی، با تفکیک ترکیبات یونی در آب، آنیون‌ها و کاتیون‌های آن‌ها در آب تفکیک شده و در صورت وجود شرایط مناسب، می‌توانند با یکدیگر ترکیب شده و رسوب تشکیل دهند.

در اینگونه واکنش‌ها، معموال همه ی مواد در فاز محلول «aq» هستند و یک ماده در فاز جامد است. برای مثال به واکنش سدیم هیدروکسید و منیزیم کلرید دقت کنید.

$$\text{2NaOH(aq)} + \text{MgCl}_2\text{(aq)} \rightarrow \text{Mg(OH)}_2\text{(s)} + \text{2NaCl(aq)}$$

در این واکنش جا‌به‌جایی دوگانه در محلول آبی، رسوب منیزیم هیدروکسید تولید شده است.

ترکیبات انحلال ناپذیر

تمامی ترکیبات به خوبی در آب حل نمی‌شوند. برخی از ترکیبات یونی مانند کلسیم کربنات و نیترات نقره تقریبا در آب انحلال ناپذیرند. این پدیده به این علت است که نیروی بین یون‌های کریستال ترکیب یونی خیلی قوی‌تر از نیروی بین مولکول‌های آب و ترکیبات یونی است. به همین دلیل، مولکول‌های آب نمی‌توانند ساختار ترکیب یونی را بشکنند. حلالیت ترکیبات یونی در آب می‌تواند طبق جدول زیر تا حدود زیادی پیش‌بینی شود.

ترکیبات غیرقطبی نیز در آب حل نمی‌شوند. نیروی‌هایی که بین ذرات مولکول‌های غیرقطبی وجود دارد، نیرو‌های ضعیف بین مولکولی هستند. این نیرو‌ها به حدی ضعیف هستند که نمی‌توانند بر پیوند هیدروژنی بین مولکول‌های آب غلبه کنند. برای اینکه یک مولکول غیرقطبی در آب حل شود، نیاز است تا برخی از پیوند‌های هیدروژنی بین مولکول‌های آب مجاور شکسته شود و مولکول‌های ترکیب بتوانند بین مولکول‌های آب قرار بگیرند.

هنگامی که یک ماده قطبی مانند اتانول با آب مخلوط می شود، به طور کامل با آب مخلوط شده و حل می‌شود. موادی که به شکلی کامل در یکدیگر حل می‌شوند، مخلوط شدنی یا امتزاج‌پذیر نام دارند. مایعاتی که در یکدیگر حل نمی‌شوند، مخلوط نشدنی یا امتزاج ناپذیر نام دارند. قانون کلی برای تشخیص اینکه چه موادی با یکدیگر مخلوط می‌شوند این است که همانند همانند را حل می کند. منظور از همانندی در این جمله، قطبی یا ناقطبی بودن اجزای محلول آبی و غیر آبی است.

برای مثال، یک ماده جامد غیر قطبی مانند ید، به طور کامل در یک مایع غیرقطبی سبک‌تر حل می‌شود اما در آب که یک مایع قطبی است،‌ حل نمی‌شود.

تفاوت محلول و مایع

مایع کلمه‌ای است که به طور عمومی برای بیان یکی از ۴ حالت ماده ( جامد، مایع، گاز، پلاسما) به کار می‌رود. در مایعات، نیرویی که مولکول‌ها را کنار یکدیگر نگه می‌دارد قوی است. این نیروی بین مولکولی نسبت به نیروی بین مولکول‌های گاز قوی‌تر و از نیروی بین مولکول‌های جامد ضعیف‌تر است. مایعات حجم مشخصی دارند که مستقل از ظرفی است که درون آن قرار می‌گیرند. این مولکول‌ها شکل ظرفی که درون آن قرار دارند را می‌گیرند.

محلول‌ها فرمی از مایعات هستند که در آن‌ها حلال محلول یک مایع است. یک ماده حل شونده از نوع مایع، جامد یا گاز درون حلال حل می‌شود. محلول‌ها می‌توانند از نوع آبی، غیر آبی و آلی باشند.

الکترولیت و غیر الکترولیت

الکترولیت ماده‌ای است که در صورت حل شدن در آب یا ذوب شدن می‌تواند جریان الکتریسیته را از خود عبور دهد. برای عبور جریان الکتریسیته، ماده باید دارای یون‌های متحرک باشد که بتوانند از یک الکترود به الکترود دیگر حرکت کنند. هنگامی که یک ترکیب یونی در آب حل می‌شود، به یون های سازنده‌اش شکسته شده و می‌تواند جریان الکتریکی را از خود عبور دهد. حتی ترکیباتی که در آب حل نمی‌شوند نیز می‌توانند الکترولیت باشند. برای مثال کلسیم کربنات در حالت مذاب جریان را از خود عبور می‌دهد پس الکترولیت است.

غیر الکترولیت ها

ترکیبات غیرالکترولیت، ترکیباتی هستند که نه در حالت محلول و نه در حالت مذاب نمی‌توانند جریان الکتریکی را از خود عبور دهند. بسیاری از ترکیبات مولکولی مانند شکر یا اتانول، غیرالکترولیت هستند. هنگامی که این ترکیبات در آب حل می‌شوند، هیچ یونی تولید نمی‌کنند.

الکترولیت قوی

الکترولیت‌های قوی الکترولیت‌هایی هستند که به طور کامل در آب تفکیک می‌شوند. معمولا اسید‌ها و باز‌های قوی الکترولیت‌های قوی هستند. برای مثال، ترکیبات باریم کلرید، اسید کلریدریک و سدیم هیدروکسید، الکترولیت‌های قوی هستند. در ادامه واکنش‌های تفکیک این مواد را مشاهده می‌کنید.

$${ NaOH(s) ->[{H_2O(l)}] Na^{+} (aq) + OH^{-} (aq)}$$

$${{HCl}(l) \rightarrow H^{+} (aq) + Cl^{-} (aq)}$$

$${BaCl_2(s) ->[{H_2O(l)}] Ba^{2+} (aq) + 2Cl^{-} (aq)}$$

الکترولیت ضعیف

الکترولیت‌های ضعیف هنگامی که تفکیک می‌شوند تعداد بسیار کمی یون در آب آزاد می کنند. این به این معنی نیست که الکترولیت‌های ضعیف بلافاصله پس از وارد شدن به محلول و ترکیب با آب تفکیک نمی‌شوند. بسیاری از الکترولیت‌های ضعیف پیوند‌های بسیار قطبی دارند که به محض ورود به یک حلال قطبی مانند آب تفکیک می‌شوند. اما این ترکیبات به شکل کامل تفکیک نمی‌شوند و قسمت بسیار زیادی از ماده به صورت تفکیک نشده در محلول آن‌ها باقی می‌ماند.

به لیل اینکه تعداد یون های آزاد شده از این ترکیبات در محلول بسیار کم است، الکترولیت‌های ضعیف به خوبی الکترولیت های قوی جریان الکتریسیته را از خود عبور نمی‌دهند. یکی از مثال‌های الکترولیت‌های ضعیف، استیک اسید است. این ماده از واحد‌های $${–CO_2H}$$ تشکیل شده است. با وجود اینکه این ماده یک محلول آبی تشکیل می‌دهد، یک اسید ضعیف است و یک الکترولیت ضعیف تشکیل می‌دهد. به شکلی مشابه، آمونیاک با فرمول شیمیایی $${NH_3}$$ یک باز ضعیف است و یک الکترولیت ضعیف می‌سازد.

تفکیک

در قسمت‌های قبل، مشاهده کردید که چگونه یک کریستال ترکیب یونی در آب تفکیک شده و یون‌های آن جدا می‌شوند و مولکول‌های آب آن‌ها را احاطه می‌کنند. تفکیک فرآیند جدا شدن یون‌ها است که در اثر حل شدن یک ترکیب یونی در آب اتفاق می‌افتد. برای به دست آوردن یون‌هایی که از فرآیند تفکیک در آب باقی می‌ماند، کافی است عکس عمل‌هایی را که در نوشتن فرمول شیمیایی ترکیبات یونی انجام داده‌ایم، اعمال کنیم. بدین صورت که فرمول شیمیایی کاتیون در سمت چپ نوشته شده را جداگانه می‌نویسیم و زیروند آنیون را به عنوان بار آن قرار می‌دهیم. برای آنیون نیز به همین صورت. برای درک بهتر این نوضوع، به تفکیک یون‌های زیر در آب توجه کنید.

$$\begin{aligned}&\text{NaCl} \, (s) \rightarrow \text{Na}^+ \, (aq) + \text{Cl}^- \, (aq) \\&\text{Ca(NO}_3\text{)}_2 \, (s) \rightarrow \text{Ca}^{2+} \, (aq) + 2 \, \text{NO}_3^- \, (aq) \\&\text{(NH}_4\text{)}_3\text{PO}_4 \, (s) \rightarrow 3 \, \text{NH}_4^+ \, (aq) + \text{PO}_4^{3-} \, (aq)\end{aligned}$$

توجه کنید که ترکیبات یونی به فرم جامد هستند و پس از تفکیک و حل شدن در آب به صورت محلول تبدیل می‌شوند.

ترکیبات قطبی

ترکیبات قطبی، ترکیباتی هستند که یک سمت آن‌ها بار جزئی مثبت و سمت دیگر بار جزئی منفی دارد. همانطور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، یک مولکول آب از دو اتم هیدروژن که به یک اتم اکسیژن متصل است، تشکیل شده است. شکل مولکول آب خمیده (مانند حرف انگلیسی V) است. همانند سایر اتم‌های گروه ۱۶ جدول تناوبی، اتم اکسیژن الکترونگاتیو در هر پیوند کووالانسی بین اتم اکسیژن و هیدروژن، الکترون‌ها را با قدرت بیشتری نسبت به اتم هیدروژن به سمت خود می‌کشد. در نتیجه، هسته اتم‌های اکسیژن و هیدروژن به شکلی یکسان الکترون‌ها را تقسیم نمی‌کنند. در عوض، اتم‌های هیدروژن در مقایسه با یک اتم هیدروژن تک و خارج از پیوند، کمتر الکترون خواهند داشت. در نتیجه، هیدروژن در این پیوند، بار جزئی مثبت را تجربه می‌کند.

این بار جرئی مثبت با علامت $$\delta^+$$ نمایش داده می‌شود. در مقابل، اتم اکسیژن، بیشتر از یک اتم اکسیژن تک الکترون خواهد داشت. در نتیجه، بار جزيی منفی دارد. این بار جزئی منفی باید دوبرابر بار جزئی مثبت هر اتم هیدروژن پیوند‌ها باشد تا مولکول در نهایت از لحاظ بار الکتریکی خنثی باشد. این بار جزئی منفی با علامت $$2\delta^-$$ نمایش داده می‌شود. این تقسیم نابرابر بار در مولکول آب باعث می‌شود یک قطبیت در مولکول به وجود بیاید که در آن قسمتی از مولکول بار منفی و قسمتی دیگر از آن بار مثبت دارد. به دلیل وجود این خاصیت در مولکول آب و مولکول‌های مشابه آن، به آن مولکول یا ماده قطبی گفته می‌شود.

به دلیل توزیع نامتناسب الکتزون در مولکول‌های آب و قطبی بودنشان، مولکول‌‌های آب مجاور ، یکدیگر را جذب می‌کنند. به این صورت که سر مثبت هیدروژن سر منفی اکسیژن را به خود جذب می‌کند و بالعکس. این مولکول‌های مجاور با نیرو‌های الکترواستاتیک مثبت - منفی $$\delta^+...\delta^-$$ بین اکسیژن و هیدروژن در کنار هم قرار گرفته و ماهیت مایع آب را تشکیل می‌دهند. بدون وجود این نیرو‌ها، آب در دمای خیلی پایین‌تر از ۱۰۰ درجه تبخیر می‌شد و به جوش می‌آمد.

قطبیت مواد در محلول آبی و غیر آبی

از آنجا که آب یک مولکول قطبی است، می‌تواند بسیاری از مولکول‌های قطبی را در خود حل کند. در نتیجه با دانستن قطبیت مواد می‌توان تا حدود زیادی نوع حلال ماده و محلول آبی و غیر آبی تولید شده از آن را تشخیص داد. قطبیت مواد می‌تواند به وسیله اختلاف الکترونگاتیوی اتم‌های سازنده ماده به دست آید. تشخیص قطبیت ماده به وسیله مقایسه اختلاف الکترونگاتیوی اتم‌های آن به شکل زیر به دست می‌آید.

تشخیص جهت قطبیت مواد

در قسمت‌های قبل توضیح دادیم که آب یک مولکول قطبی است و می‌تواند ترکیبات قطبی را در خود حل کند. ترکیبات قطبی ترکیباتی هستند که یک سمت آن‌ها مقداری مثبت و سمت دیگر آن‌ها مقداری منفی است. یک مولکول دو اتمی که از پیوند‌های کووالانسی قطبی تشکیل شده باشد، یک مولکول قطبی است. مثالی از این قبلی مولکول هیدروژن فلوئورید است. دو سر مثبت و منفی مولکول‌های قطبی با نام قطب شناخته شده و در میدان مغناطیسی جهت‌گیری می‌کنند. برای مولکول‌هایی با بیش از ۲ اتم، شکل مولکول نیز باید برای تشخیص قطبیت ماده استفاده شود. برای مثال، مولکول‌های کربن دی اکسید و آب را در نظر بگیرید. پیوند‌های موجود در هردوی این مولکول‌ها از نوع قطبی است. اما کربن دی اکسید خطی است و آب ساختاری خمیده دارد. برآیند جهت قطبیت پیوند‌های کربن دی اکسید، یکدیگر را خنثی می‌کنند و کشتاور دوقطبی این مولکول برابر صفر است. در صورتی که برای مولکول آب اینچنین نیست.

فرآیند آب پوشی

در بررسی‌های مربوط به محلول آبی و غیر آبی به پدیده‌ای با نام هیدراسیون (آب‌پوشی) برخورد کردیم. آب‌پوشی پدیده ای است که در آن مولکول‌ها و یون های تفکیک شده ماده حل شونده در آب، توسط مولکول‌های آب احاطه می‌شوند. هنگامی که از آب به عنوان حلال استفاده می‌شود، فرآیند انحلال با نام فرآیند آب‌پوشی نیز شناخته می‌شود. برهمکنش بین مولکول‌های آب و یون سدیم و کلر در شکل زیر نمایش داده شده است. این یک نمونه از برهمکنش یون دوقطبی است که باعث پایداری محلول آب و نمک می‌شود و از رسوب نمک در این محلول جلوگیری می‌کند. در سطح مولکولی، یون‌ها از تمامی جهات فضایی توسط مولکول‌های آب احاطه می‌شوند.

پیوند هیدروژنی

پیوند هیدروژنی پیوندی است که بین یک اتم هیدروژن و یک اتم الکترونگاتیوتر برقرار است. پیوند هیدروژنی عاملی است که مولکول‌های آب را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. این پیوند ویژگی‌های مهم و خاصی را به آب می‌دهد. بسیاری از موادی که جرمی نزدیک به آب دارند، در دمای اتاق به فرم گاز هستند اما این ماده در دمای اتاق به فرم مایع است.به دلیل وجود پیوند‌های هیدروژنی، مولکول‌های آب می‌توانند در دمای اتاق نیز به فرم مایع وجود داشته باشند. شکل زیر شیوه اتصال مولکول‌های آب به وسیله پیوند هیدروژنی را نمایش می‌دهد.

در حالت مایع آب، این پیوند‌های هیدروژنی می‌توانند به شکلی مداوم شکسته و تشکیل شوند. به همین علت آب می‌تواند به راحتی جاری شود و فرم ظرف خود را بگیرد. در حالت جامد آب (یخ) حرکت مولکول‌های آهسته می‌شود و پیوند‌های هیدروژنی برای مدت زمانی که آب به فرم جامد است، یک شبکه مشخص راتشکیل می‌دهند. تصویر زیر نمایانگر تفاوت شکل قرارگیری مولکول‌های آب و یخ است.

حالت خمیده مولکول‌های آب باعث می‌شود که در تشکیل این فرم شبکه‌ای مولکول‌های یخ، فاصله‌هایی ایجاد شود. به همین علت است که یک جرم مشخص از آب در حالت جامد حجم بیشتری از همان مقدار آب به حالت مایع را اشغال می‌کنند.

یادگیری محلول سازی با فرادرس

محلول‌سازی یکی از مهم‌ترین مباحثی است که در یادگیری شیمی به شکلی عملی و در آزمایشگاه فراگرفته می‌شود. برای یادگیری محلول سازی باید با مفاهیمی مانند انواع ظروف آزمایشگاهی، روش‌های بیان غلظت و مسائل استوکیومتری آشنا شد. همچنین نیاز است با برخی از واحد های غلظت مانند مولاریته، نرمالیته و ppm نیز آشنا شوید. پینشهاد می‌کنیم برای یادگیری این مباحث و مفاهیم به مجموعه فیلم آموزش محلول‌سازی در آزمایشگاه فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این مفاهیم می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که لینک آن‌ها در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه محلول‌سازی دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش کار با مواد شیمیایی در آزمایشگاه شیمی
• فیلم آموزش شیمی تجزیه ۱ همراه با نکات کاربردی
• فیلم آموزش شیمی عمومی جامع و با مفاهیم کلیدی

مثال محلول آبی و غیر آبی

محلول‌های آبی تنها به آب موجود در سطح زمین و آب دریاها محدود نمی شوند بلکه نقشی اساسی در بسیاری از فرآیند‌های زیست محیطی و صنعتی را در زندگی انسان‌ها ایفا می‌کنند. محلول‌های آبی همچنین برای انجام بسیاری از فرآیند‌های بیولوژیکی نیز حیاتی هستند. مثال‌هایی روزمره از محلول‌های آبی شامل چای، قهوه و نوشابه هستند. مثال‌های صنعتی محلول‌های آبی مواردی مانند اسید کلریدریک، اسید فلوئوریک و اسید نیتریک هستند. مثال‌های زیست محیطی محلول‌های آبی مواردی مانند آب باران، آب دریا و آب‌های زیرزمینی هستند. همچنین این محلول‌ها در سیستم‌های بیولوژیکی مانند گاستریک اسید، قرنیه چشم و پلاسمای خون وجود دارند.

مثال‌هایی دیگر از انواع محلول‌های آبی و غیر آبی در ادامه این مطلب از مجله فرادرس آورده شده است.

مثال محلول آبی

در فهرست زیر، مثال‌هایی از محلول‌های آبی آورده شده است.

• آبمیوه‌های صنعتی
• نوشابه
• قهوه
• باران
• آب دریا
• مخلوط سرکه و آب
• چای
• سرم تزریقی

مثال محلول غیر آبی

نمونه‌هایی از محلول‌های غیرآبی در زیر آورده شده است.

• استون و لاک
• ضدیخ
• مخلوط روغن‌های گیاهی