15817,5063,rtl,04012005 المحاليل

 

 

المحاليل

 

ثانياً

 

 درست سابقاً أن الماء مذيب لكثير من المواد؛ فهو يذيب بلورات السكر وملح الطعام، كما أن له قدرة على إذابة بعض الغازات كالأكسجين.

ارجع إلى ما درسته سابقاٌ وأعط مثالاً لكل من:

أ- مواد صلبة تذوب في الماء.

ب- مواد صلبة لا تذوب في الماء.

جـ- مواد سائلة تذوب في الماء.

د- مواد غازية تذوب في الماء.

سؤال

 

 

 

قد تذكرك هذه المراجعة بأن المحلول مخلوط متجانس التركيب والخواص، ويتكون من مذاب ومذيب. ولكن؛ كيف يمكن تحديد المذاب والمذيب في المحلول؟

 

إذا كان أحد مكونات المحلول مادة سائلة، والمكون الآخر مادة صلبة أو غازية، فتعد المادة السائلة عادة هي المذيب، والمادة الأخرى تُعدّ المذاب. ففي محلول السكر والماء، يعد الماء مذيباً والسكرُ مذاباً. وعند ذوبان سائل في سائل آخر؛ فإن السائل الذي يوجد بنسبة أكبر في المحلول يُعد المذيب. فمثلاً: عند إذابة 10غ من الإيثانول في 100 غ ماء، يكون الماء مذيباً والإيثانول مذاباً. ويمكننا – باستخدام أي حالتين من حالات المادة كمذاب ومذيب – الحصول على تسعة أنواع من المحاليل؛ كما في الــــــــــجدول (3-1).

 

الجدول (3-1): أنواع المحاليل حسب حالة المذيب والمذاب.

أمثلة

حالة المذيب

حالة المذاب

حالة المحلول

ثاني أكسيد الكربون في الماء

الأسيتون في الماء

ملح الطعام في الماء

سائل

سائل

سائل

غاز

سائل

صلب

سائل

الهيدروجين في البلاتين

الزئبق في الضفة

السبائك كالبرونز، والكروم

صلب

صلب

صلب

غاز

سائل

صلب

صلب

الهواء الجوي

قطرات بخار الماء في الهواء

دقائق الغبار في الهواء

غاز

غاز

غاز

غاز

سائل

صلب

غاز

 

 ويتبين من الجدول السابق أن المحاليل يمكن أن توجد في الحالة السائلة أو الصلبة أو الغازية.

اذكر أمثلة لمحاليل أخرى تعرفها، حسب التصنيف الموجود في الجدول السابق.

سؤال

 

ونظراً لأهمية المحاليل السائلة (سواء أكان المذاب غازاً أم سائلاً أم صلباً) في التغيرات والتفاعلات والحسابات الكيميائية والظواهر المصاحبة لها – فإنك ستدرس هذه المحاليل، وبخاصة المحاليل المائية التي يكون فيها الماء السائل مذيباً.

1- عملية الذوبان

عرفت أن هناك روابط كيميائية تربط بين ذرات العناصر، سواء أكانت هذه الذرات من النوع نفسه أم من أنواع مختلفة، كما تعرفت أشكال بعض الجزيئات.

 

1- ما نوع الروابط بين ذرات الكلور والصوديوم في بلورة كلوريد الصوديوم؟

2- ما نوع الروابط بين العناصر في كل من:

أ‌-       جزيء الماء H2O . ب- جزيء رابع كلوريد الكربون CCl4

 

3- ما الشكل المتوقع لكل من الجزيئين السابقين؟

4- أي الجزيئين السابقين يمتلك خواصاً قطبية؟

 

سؤال

 

 

عندما يتكون المحلول؛ فإن دقائق مادة (المذاب) تنتشر بشكل منتظم بين دقائق مادة (المذيب)، ويعتمد هذا الانتشار على إمكانية حدوث تج

عندما يتكون المحلول؛ فإن دقائق مادة (المذاب) تنتشر بشكل منتظم بين دقائق مادة (المذيب)، ويعتمد هذا الانتشار على إمكانية حدوث تجاذب بين دقائق (جزيئات أو أيونات) المذاب ودقائق المذيب. فمثلاً: في المركب الأيوني NaCl، توجد قوى تجاذب متبادلة بين أيونات Na+ وأيونات Cl- في الشبكة البلورية.

وعند وضع بلورات NaCl في الماء يحدث الذوبان؛ بأن تنفصل الأيونات عن بعضها بعضاً؛ فكيف يتم ذلك؟

 

تأمل الشكل (3-2)، أي الذرات في جزيء الماء تتجه نحو أيون الصوديوم الموجب؟

وأي الذرات فيه تتجه نحو أيون الكلوريد السالب؟ ولماذا؟

الشكل (3-2): ذوبان ملح كلوريد الصوديوم في الماء.‏
تلاحظ أن جزيئات الماء القطبية تهاجم البلورة؛ إذ تتجه ذرة الأكسجين – التي تحمل شحنة جزيئية سالبة – نحو الأيونات Na+، بينما تتجه

تلاحظ أن جزيئات الماء القطبية تهاجم البلورة؛ إذ تتجه ذرة الأكسجين – التي تحمل شحنة جزيئية سالبة – نحو الأيونات Na+، بينما تتجه ذرات الهيدروجين – التي تحمل شحنة جزيئية موجبة – في جزيء الماء نحو الأيونات Cl-، وتنتج من ذلك قوة تجاذب بين جزيئات الماء القطبية والأيونات تتغلب على قوة التجاذب بين الأيونات في البلورة، وتبعاً لذلك تنفصل الأيونات عن البلورة لتحيط نفسها بجزيئات الماء؛ انظر الشكل (3 -2). وبوجه عام، تذوب الأملاح الأيونية الصلبة في المذيبات القطبية فمثلاً: يذوب يوديد البوتاسيوم KI (مركب أيوني) في الماء (مذيب قطبي)، بينما لا يذوب يوديد البوتاسيوم في رابع كلوريد الكربون CCl4  (مذيب غير قطبي). ولكن هل ينحصر الذوبان في الماء على المركبات الأيونية؟

تعلم أن السكروز C12H22O11 يذوب أيضاً في الماء، على الرغم من أن الروابط بين ذرات C، H، O في جزيء السكروز هي روابط مشتركة، وي

تعلم أن السكروز C12H22O11 يذوب أيضاً في الماء، على الرغم من أن الروابط بين ذرات  C،  H، O  في جزيء السكروز هي روابط مشتركة، ويعود ذلك إلى أن تركيب كل من المذاب وهو السكروز، والمذيب وهو الماء – يحتوي على مجموعات هيدروكسيل (-OH) كما في الشكل ( 3-3) وهذا يؤدي إلى حدوث روابط هيدروجينية بين جزيئات كل منهما،  مما يعمل على تفكيك بلورة السكروز وتداخلها بين جزيئات الماء.

الشكل (3-3): تركيب جزيء السكروز C12H22O11).‏
بناء على معرفتك لأنواع الروابط بين الذرات:

 

بناء على معرفتك لأنواع الروابط بين الذرات:

أ- أي المركبات الآتية يذوب في الماء، وأيها لا يذوب فيه؟ فسر إجابتك:

KCl، CH3OH ,SiO2,  CHCl3، سكر الغلوكوز (C6H12O)، البنزين (C6H6)، BeCl2

 ب- أي المذيبات الآتية يمكن أن يذيب CCl4 : 1-H2O      2-C6H14(هكسان).

سؤال

 

- المحاليل المشبعة والمحاليل غير المشبعة

- المحاليل المشبعة والمحاليل غير المشبعة

تستطيع إذابة 10غ من السكر في 100غ من الماء عند درجة حرارة الغرفة، وبإمكانك أن تزيد كتلة السكر الذائبة بإضافة كتلة أخرى من السكر مع التحريك وهكذا. ويسمى المحلول الذي يمكنه إذابة مزيد من المذاب محلولاً غير مشبع.

 

وإذا واصلت إضافة السكر على المحلول، فإنك ستصل إلى حد لا تستطيع زيادة كتلة السكر المذاب مهما حركت المحلول عند درجة حرارة ثابتة. وعندها تثبت كتلة السكر الذائبة في المحلول، وتثبت أيضاً كتلة السكر المترسبة (غير الذائبة).

 

ويوصف هذا المحلول بأنه مشبع. فكيف تفسر ثبات كتلة السكر الذائبة في المحلول؟

 

إذا تابعت جزيئاً من السكر؛ كما في الشكل (3-4) فمن الممكن أن تجده على سطح البلورة أو في المحلول، وبعد مدة قد تجده مدفوناً داخل البلورة، لينتقل منها إلى المحلول، وبعد مدة قد تجده مدفوناً داخل البلورة، لينتقل منها إلى المحلول، وهكذا.

فما معنى ذلك.

الشكل (3-4): المذاب (في المحلول المشبع) في حالة اتزان ينامي مع بلوراته غير المذابة.‏
من الواضح أن عملية الذوبان في المحلول المشبع تكون مستمرة، فكلما ذابت كتلة من المذاب الزائد، ترسبت كتلة مساوية لها من المذاب في

من الواضح أن عملية الذوبان في المحلول المشبع تكون مستمرة، فكلما ذابت كتلة من المذاب الزائد، ترسبت كتلة مساوية لها من المذاب في المحلول؛ بمعنى أن سرعة الذوبان في المحلول المشبع تكون مساوية لسرعة الترسيب، ولذلك تبقى كتلة السكر الذائبة في كتلة معينة من الماء ثابتة.

 

يمثل الوضع في المحلول المشبع حالة اتزان دينامي، وثبات مكونات المحلول لا يعني توقف عمليتي الذوبان والترسيب، وإنما تساوي سرعتيهما. ويمكن تمثيل حالة الاتزان على النحو الآتي:

 

وتسمى كتلة المذاب اللازمة لتكوين محلول مشبع في كتلة معينة من المذيب – عند درجة حرارة معينة – بالذائبية عند تلك الدرجة.

صغ بلغتك الخاصة تعريفاً للمحلول المشبع، بناء على المناقشة السابقة.

سؤال

 

 

3- محاليل المواد الصلبة في السوائل

يعد تركيز محلول المادة الصلبة في الماء عند درجة حرارة معينة من الخصائص المهمة للمحلول. وتُعرف ذائبية المادة في الماء عند درجة حرارة معينة بأنها أكبر كتلة من المادة الصلبة التي يمكن أن تذوب في (100)غ من الماء عند تلك الدرجة. وتعتمد الذائبية على ما يأتي:

أ- طبيعة المذاب: يبين الجدول (3-2) ذائبية بعض المركبات في الماء عند درجة 20ْس.

 

الجدول ( 3-2): ذائبية بعض المركبات في الماء عند درجة 20ْس.

الذائبية (غ/100 غ ماء)

اسم المركب

صيغة المركب

22.2

19.2

1.4 ×10-4

7× 10-4

0.165

نترات الفضة

نترات الأمونيوم

كلوريد الفضة

كربونات الكالسيوم

هيدروكسيد الكالسيوم

AgNO3

NH4NO3

AgCl

CaCO3

Ca(OH)2

 

تلاحظ من الجدول السابق أن الذائبية في الماء تختلف باختلاف طبيعة المذاب؛ فذائبية كل من نترات الفضة ونترات الأمونيوم في الماء عالية، أما بقية المركبات – في الجدول – فهي قليلة الذوبان، وبذلك تتوقع أن تكون قوى الترابط بين أيوناتها أكبر من قوى التجاذب بين الأيونات وجزيئات الماء وهكذا تجد أن طبيعة المذاب وتركيبه الكيميائي يؤثران في ذائبيته.

 

يذوب كل من فيتامينات B وفيتامين C في الماء، ولذلك فإنهما غير قابلين للتخزين في الجسم مدة مناسبة، ومن الضروري أن تكون الوجبات اليومية محتوية عليهما.

وبالمقابل؛ فإن فيتامينات (K, E, D,A)  تذوب في مذيبات غير قطبية كالأنسجة الدهنية في الجسم، ويخزن بعضها في الجسم مدة طويلة، فتحفظ من الإصابة بالأمراض التي يسببها نقص هذه الفيتامينات، إلا أن زيادة في تخزين بعضها في الجسم ضارة.

 

 

-- درجة الحرارة: يبين الشكل (3-5) منحنيات الذائبية لعدد من الأملاح عند درجات حرارة مختلفة

ب-  درجة الحرارة: يبين الشكل (3-5) منحنيات الذائبية لعدد من الأملاح عند درجات حرارة مختلفة.

تمعن في الشكل السابق واستخلص منه الآتي:

·   الملح الذي له أكبر ذائبية عند (صفرْس).

·   الملح الذي له أقل ذائبية عند (صفرْ س).

·   الأملاح التي تزداد ذائبيتها بزيادة درجة الحرارة.

·   الملح الذي تقل ذائبيته بزيادة درجة الحرارة.

·   حدد من الرسم ذائبية كل من هذه الأملاح عند درجة °20س.

لعلك لاحظت من الشكل ( 3-5) أن معظم الأملاح تزداد ذائبيتها بزيادة درجة الحرارة، وذلك يعني أن عملية الذوبان لهذه الأملاح عملية ماصة للحرارة. وهناك أملاح قليلة تكون عملية ذوبانها طاردة للحرارة، أي تقل ذائبيتها بزيادة درجة الحرارة.

الشكل (3-5): منحنيات الذائبية لعدد من الأملاح في الماء.‏
وبذلك يمكن التنبؤ من منحنيات الذائبية للمواد بعدة أمور، منها:

 

وبذلك يمكن التنبؤ من منحنيات الذائبية للمواد بعدة أمور، منها:

·  معرفة المواد التي تزداد ذائبيتها أو تقل بزيادة درجة الحرارة؟

·   ذائبية المادة عند درجة حرارة معينة.

·   كتلة المذاب الذي ينفصل من المحلول عند تبريده إلى درجة حرارة معينة.

استعن بالشكل (3-5) وأجب عن الآتي:

أ- ما درجة الحرارة التي تتساوى عندها ذائبية كل من أزواج الأملاح الآتية؟ (KNO3 ,KCl)  ، (K2Cr2O7)

ب- محلول مشبع تم تحضيره بإذابة KCl  في 200غ من الماء عند درجة 40ْس ، ما كتلة الملح المترسب عند خفض درجـــــــة حرارة المحلول إلى 10ْس؟

سؤال

 

 

4-محاليل الغازات في السؤال

تختلط الغازات في بعضها؛ كالهواء الجوي، كذلك فإن الغازات يمكن أن تذوب في السؤال مكونة محلول الغاز في السائل. وتعرف ذائبية الغاز في السائل؛ بأنها كتلة الغاز (بالغرام أو المول) التي تذوب في كتلة محددة من السائل تحت ضغط معين ودرجة حرارة معينة وتعتمد ذائبية الغازات في الماء على عوامل عدة منها:

أ- طبيعة المذاب : تتفاوت الغازات في ذائبيتها في الماء. ويبين الجدول (3-3) ذائبية عدد من الغازات عند درجة °20س وضغط جوي.

 

الجدول (3-3) : ذائبية عدد من الغازات في الماء عند درجة 20ْس وضغط جوي واحد.

الذائبية غ/ لتر ماء

الكتلة المولية (غ/مول)

صيغة الغاز

0.006

0.018

0.04

0.06

0.14

7.1

4

28

32

40

44

71

He

N2

O2

Ar

CO2

Cl2

 

دقق النظر في الجدول (3-3) وجد إجابة للآتي. هل جزيئات الغازات السابقة قطبية أم لا؟ ما العلاقة بين ذائبية الغاز وكتلته المولية؟ ما السبب في ارتفاع ذائبية غاز الكلور؟

 

لعلك لاحظت أن ذائبية الغاز تزداد بزيادة كتلته المولية، ويعود السبب في ذلك إلى أن قوى التجاذب بين دقائق الغاز وجزيئات المذيب هي قوى لندن الضعيفة التي تزداد بزيادة الكتلة المولية. وستعرف هذه القوى في العام القادم. تلاحظ من الجدول أيضاً، ارتفاع ذائبية غاز الكلور مع أنه غير قطبي ويعود السبب في ذلك إلى تفاعل غاز الكلور مع الماء وفق المعادلة الآتية:

Cl2+H2o(1) ®Hocl (aq) +H+(aq) +cI- (aq)

قوى لندن هي قوى تجاذب ضعيفة تنشأ بين الذرات أو الجزيئات غير القطبية، والتي تنشأ فيها قطبية لحظية نتيجة الإزاحة اللحظية للإلكترونات. وقد اقترحها فرتز لندن سنة 1930م لتفسير بعض الظواهر.

ماذا عن ذائبية الغازات القطبية مثل NH3,HCl

يمتاز كل من الغازين السابقين بذائبية عالية في الماء نظراً لحدوث تفاعل بينهما وبين الماء.

Hcl(g) +H2O(1) ®H3O+(aq) +Cl-(aq)

NH3(g) + H2O(l) ®NH+4 (aq) + OH-(aq)

 

 

نستنتج مما سبق أن ذائبية الغازات في الماء تعتمد على طبيعة الغاز المذاب.

ب- درجة الحرارة: يبين الشكل ( 3-6) منحنى الذائبية لبعض الغازات في الماء عند ضغط جوي ودرجات حرارة مختلفة

ب-  درجة الحرارة: يبين الشكل ( 3-6) منحنى الذائبية لبعض الغازات في الماء عند ضغط جوي ودرجات حرارة مختلفة.

دقق في الشكل (3 -6) وأجب عن الآتي:

مول

1

ملي مول=

1000

·   ما ذائبية غاز O2 عند درجة °20س،°40س.

·   ما ذائبية غاز He عند درجة °20س،°40س.

·   هل مقدار التغير في الذائبية للغازين متساوٍ.

·   هل تزداد ذائبية الغاز أم تقل بزيادة درجة الحرارة.

فسر سبب اختلاف طعم ماء الشرب عند تسخينه

سؤال

 

 

يتضح من الشكل ( 3-6) أن ذائبية الغازات في الماء تقل بزيادة درجة الحرارة، ولكن هذا النقص في الذائبية ليس منتظماً في جميع الغازات وللغاز الواحد.

 

جـ- الضغط: تتأثر ذائبية الغاز في سائل بضغط هذا الغاز فوق السائل. ويمثل الجدول (3-4) تغير ذائبية CO2 في الماء بتغير ضغط الغاز عند ْ25س.

بالاعتماد على الجدول ( 3-4)، مثل بيانياً العلاقة بين ذائبية CO2 وضغطه، ماذا تستنتج؟

لعلك قد توصلت إلى أن ذائبية غاز ثاني أكسيد الكربون في الماء تزداد بزيادة ضغط هذا الغاز فوق الماء. وقد وجد العالم هنري أن ذائبية الغاز في سائل تتناسب طردياً مع ضغط هذا الغاز فوق سطحه؛ أي أن:

ذائبية غاز

CO2 (مول/ لتر)

ضغط غاز CO2

   (جوي)

0.012

0.022

0.034

0.041

0.054

0.06

0.36

0.65

0.99

1.2

1.6

1.78

 

ذائبية الغاز a ضغط الغاز

ذائبية الغاز = ثابت × ضغط الغاز.

وهذا المقدار الثابت يســـمى ثــابت هنري، وتعتمد قيمته على نوع الغاز، كمـــا يتضح في الجـــدول (3-5).

الجدول (3-5): ثابت هنري لبعض الغازات عند (25ْ س).

ثابت هنري (مول/ لتر. جوي)

الغاز

7.0×10-4

1.3× 10-3

3.3× 10-2

N2

O2

CO2

 

1- إذا كان ثابت هنري للنتروجين عند درجة °25س هو 7.0×10-4 مول/ لتر. ضغط جوي، فما ذائبية هذا الغاز في الماء عند ضغط 2.5 جوي؟

2- تلاحظ عند فتح زجاجة أحد المشروبات الغازية إطلاق فقاعات من غاز  CO2في المحلول. فسر ذلك.

3- إذا علمت أن مقدار ما يسهم به O2 في الضغط الجوي يساوي 0.21 ضغط جوي، فاحسب ذائبية غاز O2 في ماء البحار الذي يتلاءم واحتياجات الكائنات البحرية.

سؤال

 

 

 

 

تحتوي الأسطوانة التي يحملها الغواص تحت الماء على غازي الأكسجين والنتروجين. وعندما يعمل الغواص في أعماق كبيرة، يتعرض جسمه لضغط كبير، وتذوب تبعاً لذلك كميات من غاز N2 في الدم. حيث يتجمع جزء بالمفاصل ويسبب الآماً مبرحة ويسمى الألم (THE BENDS)  وأيضاً للنتروجين أثر إدماني.

وللتخلص جزئياً من هذه المشكلة، استخدمت اسطوانات تحتوي على الأكسجين والهيليوم، إذ إن ذائبية He أقل من ذائبية N2 في الدم.

 

الشكل(3-6): منحنى الذائبية لبعض الغازات في الماء.‏