ملخص خصائص المحاليل — ثانية ثانوي

مقدمة

المادة: الكيمياء
المسار: مسار الهندسة وعلوم الحاسب
الوحدة: الفصل الأول: حالات المادة

إذا رججت زجاجة فيها ماء وزيت بقوة، يبدو السائلان مختلطين لحظات ثم ينفصلان من جديد مهما أطلت الرج. بينما يختفي السكر والملح في الماء بسهولة. لماذا تذوب بعض المواد ولا يذوب غيرها؟ وكم يمكن أن يذوب منها؟ وكيف نعبّر بدقة عن كمية المذاب في محلول؟ هذه أسئلة يجيب عنها هذا الدرس.

أهداف التعلم

أن تتنبأ بذوبان مادة في مذيب قطبي أو غير قطبي.
أن تقرأ منحنى الذوبانية وتحسب كتلة البلورات الناتجة بإعادة التبلور.
أن تحسب تركيز محلول بالنسبة المئوية الكتلية والمولارية والمولالية.
أن تطبق قانون هنري على ذوبانية الغازات وتفسر به ظواهر حياتية.

شرح الدرس

الذوبان والقطبية

الذوبان انتشار مادة (المذاب) انتشارًا متجانسًا في مادة أخرى (المذيب). والقاعدة العامة: المواد المتشابهة في القطبية يذيب بعضها بعضًا.

الجزيئات القطبية (مثل السكر والجلوكوز) تذوب بسهولة في المذيبات القطبية كالماء؛ لأن الشحنات الجزئية الموجبة والسالبة تتجاذب.
البلورات الأيونية (مثل $\text{NaCl}$ و $\text{KCl}$ ) تذوب غالبًا في الماء، ولا تذوب تقريبًا في المذيبات غير القطبية كالهكسان.
الجزيئات غير القطبية (مثل النفثالين وشمع البرافين والزيوت) تذوب في المذيبات غير القطبية ولا تذوب تقريبًا في الماء.

الذوبانية ومنحنى الذوبانية

الذوبانية أقصى كتلة من المذاب تذوب في كمية معينة من المذيب عند درجة حرارة معينة، وتُكتب للمواد الصلبة غالبًا بالجرام لكل $100\ \text{g}$ ماء. والمحلول الذي يحتوي هذه الكمية القصوى يسمى محلولًا مشبعًا. ومنحنى الذوبانية يبيّن كيف تتغير الذوبانية مع درجة الحرارة:

منحنى ذوبانية نترات البوتاسيوم يرتفع بسرعة مع درجة الحرارة من نحو 13 جرامًا عند الصفر إلى نحو 246 جرامًا عند 100 درجة، بينما يبقى منحنى كلوريد الصوديوم شبه أفقي قرب 36 إلى 40 جرامًا

القيم في الشكل تقريبية؛ فذوبانية $\text{KNO}_3$ نحو $32\ \text{g}$ عند $20\,^{\circ}\text{C}$ ونحو $110\ \text{g}$ عند $60\,^{\circ}\text{C}$ لكل $100\ \text{g}$ ماء، بينما تكاد ذوبانية $\text{NaCl}$ لا تتغير.

إعادة التبلور

عند تبريد محلول مشبع لمادة تزداد ذوبانيتها كثيرًا بالحرارة، تقل الذوبانية فيترسب الفائض على شكل بلورات نقية. تستخدم هذه الطريقة لتنقية المواد الصلبة، وتصلح لـ $\text{KNO}_3$ ولا تصلح لـ $\text{NaCl}$ (نحصل على بلورات الملح بالتبخير).

طرق التعبير عن التركيز

الطريقة	القانون	الوحدة
النسبة المئوية الكتلية	$\frac{\text{كتلة المذاب}}{\text{كتلة المحلول}}\times100$	$\%$
المولارية	$\frac{\text{مولات المذاب}}{\text{حجم المحلول باللتر}}$	$\text{mol/L}$
المولالية	$\frac{\text{مولات المذاب}}{\text{كتلة المذيب بالكيلوجرام}}$	$\text{mol/kg}$

انتبه: المولارية تُقسم على حجم المحلول، أما المولالية فتُقسم على كتلة المذيب وحده. والمولالية لا تتغير بتغير درجة الحرارة لأنها تعتمد على الكتل، ولذلك تستخدم في الدرس التالي.

ذوبانية الغازات وقانون هنري

قانون هنري: عند ثبات درجة الحرارة، تتناسب كمية الغاز (بالمول أو بالكتلة) التي تذوب في كمية معينة من سائل تناسبًا طرديًّا مع ضغط الغاز فوق السائل.

المشروبات الغازية تُعبأ تحت ضغط مرتفع من $\text{CO}_2$ ؛ وعند فتحها ينخفض الضغط فتقل الذوبانية ويخرج الغاز فقاعات.
كما تقل ذوبانية الغازات في الماء بارتفاع درجة الحرارة؛ لذلك يقل الأكسجين الذائب في مياه الأنهار الدافئة.

أمثلة وتطبيقات

مثال 1 (النسبة الكتلية): أذيب $15\ \text{g}$ سكر في $135\ \text{g}$ ماء. النسبة الكتلية $=\frac{15}{150}\times100=10\%$ .

مثال 2 (المولارية): أذيب $4.0\ \text{g}$ من $\text{NaOH}$ ( $40\ \text{g/mol}$ ) وأكمل المحلول إلى $250\ \text{mL}$ . عدد المولات $0.10\ \text{mol}$ ، والمولارية $\frac{0.10}{0.250}=0.40\ \text{mol/L}$ .

مثال 3 (المولالية): أذيب $3.0\ \text{g}$ من $\text{NaOH}$ في $50.0\ \text{g}$ ماء. $n=\frac{3.0}{40}=0.075\ \text{mol}$ ، والمولالية $\frac{0.075}{0.0500}=1.5\ \text{mol/kg}$ .

مثال 4 (إعادة التبلور): محلول مشبع من $\text{KNO}_3$ في $100\ \text{g}$ ماء عند $60\,^{\circ}\text{C}$ بُرّد إلى $20\,^{\circ}\text{C}$ . كم جرامًا يتبلور؟ (استخدم $110\ \text{g}$ و $32\ \text{g}$ )

الذائب عند $60\,^{\circ}\text{C}$ : $110\ \text{g}$ ، ويبقى ذائبًا عند $20\,^{\circ}\text{C}$ : $32\ \text{g}$ ؛ فيتبلور $110-32=78\ \text{g}$ . ولو كان لدينا $50\ \text{g}$ ماء فقط لتبلور نصف هذه الكمية، أي $39\ \text{g}$ .

مثال 5 (قانون هنري): عند $20\,^{\circ}\text{C}$ وضغط أكسجين $1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$ يذوب $1.4\times10^{-3}\ \text{mol}$ من $\text{O}_2$ في $1.0\ \text{L}$ ماء. كم جرامًا يذوب في $2.0\ \text{L}$ ماء عند الدرجة نفسها وضغط $3.0\times10^{5}\ \text{Pa}$ ؟ ( $\text{O}=16$ )

الضغط ثلاثة أمثال، والحجم مثلان: $n=1.4\times10^{-3}\times3\times2=8.4\times10^{-3}\ \text{mol}$ ، والكتلة $8.4\times10^{-3}\times32\approx0.27\ \text{g}$ .

تطبيق: يتنفس الغواص في الأعماق هواءً تحت ضغط مرتفع، فيذوب مزيد من النيتروجين في دمه (قانون هنري). وإذا صعد بسرعة انخفض الضغط فجأة وخرج النيتروجين فقاعات في الدم، وهي حالة خطرة؛ لذلك يصعد الغواصون ببطء وعلى مراحل.

ملاحظات مهمة

في المولارية حوّل الحجم من $\text{mL}$ إلى $\text{L}$ ، وفي المولالية حوّل كتلة المذيب من $\text{g}$ إلى $\text{kg}$ .
كتلة المحلول $=$ كتلة المذاب $+$ كتلة المذيب.
الذوبانية تُذكر مع درجة الحرارة؛ فالرقم وحده لا يكفي.
ذوبانية معظم المواد الصلبة تزداد بالتسخين، أما ذوبانية الغازات فتقل.

المفاهيم الأساسية

المتشابه في القطبية يذيب المتشابه.
الذوبانية: أقصى كتلة مذاب في $100\ \text{g}$ مذيب عند درجة حرارة معينة.
النسبة الكتلية، والمولارية ( $\text{mol/L}$ )، والمولالية ( $\text{mol/kg}$ من المذيب).
قانون هنري: كمية الغاز الذائبة $\propto$ ضغط الغاز (عند ثبات درجة الحرارة).

ملخص الدرس

تذوب المادة في مذيب يشبهها في القطبية، وتحدد الذوبانية أقصى ما يذوب منها عند درجة حرارة معينة، ويبيّن منحنى الذوبانية تغيرها مع الحرارة، فنستفيد منه في إعادة التبلور. ونعبّر عن التركيز بالنسبة المئوية الكتلية أو بالمولارية أو بالمولالية حسب الحاجة. أما الغازات فتزداد ذوبانيتها بزيادة ضغطها وفق قانون هنري.

أسئلة للتدريب

أي المواد الآتية تذوب في الهكسان ولا تذوب في الماء: نترات البوتاسيوم، النفثالين، كلوريد الهيدروجين؟
احسب مولارية محلول فيه $0.30\ \text{mol}$ مذاب في $600\ \text{mL}$ من المحلول.
احسب مولالية محلول يحتوي $9.0\ \text{g}$ جلوكوز ( $180\ \text{g/mol}$ ) في $200\ \text{g}$ ماء.
من منحنى الذوبانية: كم جرامًا من $\text{KNO}_3$ يلزم لتشبيع $250\ \text{g}$ ماء عند $60\,^{\circ}\text{C}$ ؟
فسّر بقانون هنري فوران المشروب الغازي عند فتح زجاجته.