محلول‌ها، غلظت و انحلال‌پذیری (شیمی ۱)

لیوانِ آبِ سردی که از یخچال بیرون می‌آوری، چند دقیقه بعد از بیرون خیس می‌شود. هیچ آبی از داخلِ لیوان بیرون نزده؛ آن قطره‌ها از بخارِ نامرئیِ هوای اتاق‌اند که به سطحِ سرد چسبیده‌اند. این فصل از همین‌جا شروع می‌کند: از یک مولکولِ کوچک و خمیده که رفتارش با هر مایعِ دیگری فرق دارد، تا اقیانوسی که همان رفتار را در مقیاسِ سیاره تکرار می‌کند.

مولکولِ آب و مفهومِ قطبیت

هندسه

مولکولِ $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ساختارِ خمیده (V شکل) دارد: هر هیدروژن با یک پیوندِ اشتراکی به اکسیژن وصل است، زاویهٔ پیوند $104.5^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و روی اکسیژن دو جفتِ الکترونِ آزاد نشسته. اگر این دو جفتِ آزاد نبودند زاویه به $109.5^\circ$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (مثلِ متان) می‌رسید؛ دافعهٔ آن‌هاست که زاویه را جمع می‌کند.

قطبی یا ناقطبی؟

مولکولی قطبی است که مرکزِ بارِ مثبت و مرکزِ بارِ منفی در آن بر هم منطبق نباشند؛ چنین مولکولی گشتاورِ دوقطبی غیرصفر دارد و در میدانِ الکتریکی جهت می‌گیرد. اگر این دو مرکز بر هم منطبق باشند، گشتاورِ دوقطبی صفر است و مولکول ناقطبی است و در میدان جهت نمی‌گیرد. یکای گشتاورِ دوقطبی دبای ( $\text{D}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) است؛ هرچه بزرگ‌تر، مولکول قطبی‌تر.

آب (خمیده، $1.85\ \text{D}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، هیدروژن سولفید (خمیده، $0.97\ \text{D}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) و $\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین (خطی، $1.08\ \text{D}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) قطبی‌اند؛ اما $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خطیِ متقارن، $\text{CH}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین چهاروجهیِ متقارن و $\text{O}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{F}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین همسان، همگی گشتاورِ دوقطبیِ صفر دارند و ناقطبی‌اند.

مقایسهٔ $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{SO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین کلیدِ فهمِ این جدول است: هر دو از یک اتمِ مرکزی و دو اکسیژن ساخته شده‌اند، اما $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خطی و متقارن است و بردارهای قطبیتِ دو پیوند یکدیگر را خنثی می‌کنند، در حالی که $\text{SO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین خمیده است و این خنثی‌شدن رخ نمی‌دهد. پس پیوندِ قطبی لزوماً مولکولِ قطبی نمی‌سازد؛ تقارنِ هندسی حرفِ آخر را می‌زند.

همین اصل روی گونه‌های کمترآشنا هم کار می‌کند: اگر همهٔ اتم‌های پیرامونی یکسان و آرایششان کاملاً متقارن باشد (خطی، مثلثِ تخت، چهاروجهی یا هشت‌وجهی)، مولکول ناقطبی است — مثلِ $\text{BF}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{BeCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{SiF}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{SF}_6$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین؛ $\text{P}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{S}_8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم چون تک‌عنصری‌اند و اختلافِ الکترونگاتیویته ندارند ناقطبی‌اند. دو هشدار: نخست اینکه $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با وجودِ شباهتِ ظاهری به $\text{BeCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به‌خاطرِ دو جفتِ آزادِ اکسیژن خمیده و قطبی می‌ماند؛ دوم اینکه پرسشِ «قطبی یا ناقطبی» فقط برای مولکول معنا دارد — ترکیبی مثلِ $\text{RbCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اصلاً مولکولِ مجزا نیست بلکه شبکهٔ یونی است، و گشتاورِ دوقطبیِ صفر برای یون‌هایی مثلِ $\text{NH}_4^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{NO}_3^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم بی‌معناست.

نیروهای بین‌مولکولی

نیروهایی که میانِ ذره‌ها عمل می‌کنند حالتِ فیزیکیِ ماده را تعیین می‌کنند:

چهار نیرو را باید بشناسی: پیوندِ هیدروژنی (قوی؛ میانِ مولکول‌های دارای $\text{N-H}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{O-H}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یا $\text{F-H}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، دوقطبی-دوقطبی (متوسط؛ میانِ مولکول‌های قطبی مثلِ $\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین)، وان‌دروالس (ضعیف؛ در همهٔ مولکول‌ها) و یون-دوقطبی (قوی؛ میانِ یون و مولکولِ قطبی، مثلِ انحلالِ $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در آب). ترتیبِ کلیِ قدرت: پیوندِ کووالانسی بسیار قوی‌تر از پیوندِ هیدروژنی، و پیوندِ هیدروژنی قوی‌تر از دوقطبی-دوقطبی و آن هم قوی‌تر از وان‌دروالس.

وان‌دروالس و جرمِ مولی: برای مولکول‌های ناقطبی تنها نیروی موجود همین وان‌دروالس است (که از نوسان‌های لحظه‌ایِ ابرِ الکترونی ناشی می‌شود)، و با بالا رفتنِ جرمِ مولی قوی‌تر می‌شود. به همین دلیل در دمای اتاق $\text{Cl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گاز است، $\text{Br}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مایع و $\text{I}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین جامد. اما جرمِ مولی تنها عامل نیست: $\text{F}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین ناقطبی با $M=38$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $-188\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌جوشد، در حالی که $\text{HCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین قطبی با جرمِ مولیِ تقریباً برابر ( $36.5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) در $-85\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌جوشد، چون نیروی دوقطبی-دوقطبیِ اضافه دارد.

پیوندِ هیدروژنی وقتی تشکیل می‌شود که هیدروژن به اتمی با الکترونگاتیویتهٔ بالا ( $\text{N}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{F}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) وصل باشد و اتمِ الکترونگاتیوِ دیگری با جفتِ الکترونِ آزاد در نزدیکی باشد. هر مولکولِ آب می‌تواند چهار پیوندِ هیدروژنی بسازد: دو تا از راهِ هیدروژن‌های خودش (به‌عنوانِ دهنده) و دو تا از راهِ جفت‌های آزادِ اکسیژن (به‌عنوانِ گیرنده). $\text{HF}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین هم پیوندِ هیدروژنی دارد، ولی با یک هیدروژن حداکثر دو پیوند می‌سازد.

نتیجهٔ این پیوندها در دمای جوش دیده می‌شود: $\text{H}_2\text{S}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با جرمِ مولیِ $34$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $-60\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌جوشد، اما $\text{H}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با جرمِ مولیِ کمترِ $18$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $100\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین — اختلافی حدودِ $160$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین درجه که فقط با پیوندِ هیدروژنی توضیح‌پذیر است.

یخ: استثنایی که زندگی را ممکن می‌کند

در یخ، هر اتمِ اکسیژن با دو هیدروژنِ خودش پیوندِ کووالانسی و با دو هیدروژن از مولکول‌های همسایه پیوندِ هیدروژنی دارد. حاصل، شبکه‌ای منظم و شش‌ضلعی با فضاهای خالیِ فراوان است؛ به همین دلیل چگالیِ یخ از آبِ مایع کمتر است و یخ روی آب می‌ماند. تقریباً همهٔ مواد هنگامِ جامد شدن منقبض می‌شوند، ولی آب منبسط می‌شود.

پیامدِ زیستی‌اش بزرگ است: اگر یخ سنگین‌تر بود، در زمستان به کفِ دریاچه فرو می‌رفت و لایه‌لایه همهٔ آب یخ می‌زد. یخ‌زدن از سطح به پایین لایه‌ای عایق می‌سازد که از انجمادِ کامل و مرگِ آبزیان جلوگیری می‌کند. همین تقارنِ شش‌ضلعی به دانه‌های برف شش پر می‌دهد.

در بخار مولکول‌ها جدا و نامنظم‌اند و عملاً پیوندِ هیدروژنی ندارند، در مایع نزدیکِ هم‌اند و پیوندها پیوسته شکسته و بسته می‌شوند، و در یخ در جای ثابت با چهار پیوند شبکهٔ شش‌ضلعی می‌سازند.

چرا چیزی در چیزی حل می‌شود

قاعدهٔ راهنما این است: «مانند، مانند را حل می‌کند» — حلالِ قطبی حل‌شوندهٔ قطبی یا یونی را حل می‌کند و حلالِ ناقطبی حل‌شوندهٔ ناقطبی را. صورتِ دقیق‌ترش این است که برای حل‌شدنِ $B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در $A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، جاذبهٔ $A\cdots B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین باید از میانگینِ جاذبه‌های $A\cdots A$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $B\cdots B$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بیشتر باشد.

پس $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به کمکِ نیروی یون-دوقطبی در آب حل می‌شود و اتانول به‌خاطرِ قطبیت و پیوندِ هیدروژنی؛ اما هگزان و روغنِ ناقطبی با آب مخلوطِ ناهمگن می‌سازند، در حالی که یُدِ ناقطبی به‌راحتی در هگزان حل می‌شود.

اتانول و استون با آب به هر نسبتی مخلوط می‌شوند و اصلاً نمی‌توان از آن‌ها محلولِ سیرشده ساخت؛ به این حالت امتزاج‌پذیریِ کامل می‌گویند. در مقابل، هگزانِ کاملاً ناقطبی هرگز آب یا نمک را حل نمی‌کند.

نکتهٔ ظریف اینجاست که اگر آب، استون و هگزان را با هم در یک لوله بریزیم، سه لایه تشکیل نمی‌شود: آب و استونِ قطبی یک لایهٔ همگن می‌سازند و هگزان روی آن می‌نشیند، یعنی دو لایه. پس اول بر اساسِ قطبیت گروه‌بندی کن که کدام مایع‌ها امتزاج‌پذیرند، و تنها در گامِ دوم چگالیِ هر گروه را مقایسه کن.

انحلالِ یونی، گام به گام

وقتی نمک در آب حل می‌شود دو اتفاق پشتِ سرِ هم می‌افتد. نخست نیروی یون-دوقطبی میانِ مولکول‌های قطبیِ آب و یون‌های سطحِ بلور، یون‌ها را از شبکهٔ بلوری جدا می‌کند. سپس مولکول‌های آب دورِ هر یون لایه‌ای می‌سازند که به آن آب‌پوشیده‌شدن می‌گویند: سرِ منفیِ آب (اکسیژن) کاتیون‌ها را احاطه می‌کند و سرِ مثبت (هیدروژن) آنیون‌ها را.

\text{NaCl}(s) \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} \text{Na}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)

(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4(s) \xrightarrow{\text{H}_2\text{O}} 2\text{NH}_4^+(aq) + \text{SO}_4^{2-}(aq)

دقت کن که از هر واحدِ فرمولیِ $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سه یون آزاد می‌شود، نه دو تا. یون‌های پربارتر لایهٔ آب‌پوشیِ قوی‌تری دارند.

انحلالِ مولکولی در برابرِ یونی

قند در چای حل می‌شود ولی به یون تجزیه نمی‌شود؛ مولکولش سالم می‌ماند و فقط میانِ مولکول‌های آب پخش می‌شود. این انحلالِ مولکولی است، در برابرِ انحلالِ یونی که در آن ترکیب به یون‌های مجزا تفکیک می‌شود. نشانهٔ عملی‌اش رساناییِ الکتریکی است: آبِ نمک برق را عبور می‌دهد ولی محلولِ قند نه. برای تشخیص هم به خودِ حل‌شونده نگاه کن: ترکیب‌های یونی یونی حل می‌شوند و ترکیب‌های مولکولی مثلِ الکل‌ها و قندها مولکولی.

انحلال‌پذیری

انحلال‌پذیری ( $S$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) بیشترین جرمِ حل‌شونده‌ای است که در $100\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حلال و در دمای معین حل می‌شود. محلولی که به این سقف رسیده سیرشده است و افزودنِ حل‌شوندهٔ بیشتر به آن فقط رسوب می‌سازد.

دامنهٔ این عدد حیرت‌آور است: در $25\ ^\circ\text{C}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین انحلال‌پذیریِ $\text{NaNO}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حدودِ $92$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{NaCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین حدودِ $35.7$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، اما $\text{CaSO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $0.21$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $0.002$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، $\text{AgCl}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $0.00019$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و $\text{BaSO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $0.000024$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین گرم در هر $100\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آب می‌رسد. سه مورد آخر عملاً نامحلول به شمار می‌روند و دقیقاً به همین دلیل در واکنش‌های رسوب‌گذاری ظاهر می‌شوند.

اثرِ دما: برای اغلبِ جامداتِ یونی گرم‌شدن انحلال‌پذیری را بالا می‌برد (لیتیم سولفات استثناست)، اما برای گازها برعکس است، چون انحلالِ گازها معمولاً گرمازا است و گرم‌کردنِ محیط تعادل را به‌سمتِ خروجِ گاز هُل می‌دهد. دربارهٔ نمک‌ها هرگز حکمِ کلی نده: انحلالِ آمونیوم نیترات گرماگیر است و محلول را سرد می‌کند (کیسه‌های یخِ فوریِ پزشکی از همین استفاده می‌کنند)، ولی انحلالِ کلسیم کلرید یا سدیم هیدروکسید گرمازا است و ظرف را داغ می‌کند.

روی نمودارِ انحلال‌پذیری بر حسبِ دما، نقطهٔ روی منحنی محلولِ سیرشده است، نقطهٔ زیرِ آن سیرنشده و نقطهٔ بالای آن فوق‌سیرشده و ناپایدار. این منحنی‌ها را اغلب با یک رابطهٔ خطیِ $S=a\theta+x$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین مدل می‌کنند؛ مثلاً $S=0.8\theta+72$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای سدیم نیترات در برابرِ $S\approx 0.32\theta+27$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین برای پتاسیم کلرید. برای استخراجِ این معادله از یک جدولِ داده، لازم نیست از اولین و آخرین سطر استفاده کنی: هر دو نقطهٔ دلخواه روی همان خط، شیبِ یکسانی می‌دهند.

در مقایسهٔ چند نمودار، دو کمیتِ مستقل را جدا نگه دار: شیبِ بزرگ‌تر یعنی حساسیتِ بیشتر به دما و عرض از مبدأِ بزرگ‌تر یعنی انحلال‌پذیریِ بالاتر در دمای صفر. در نقطهٔ تقاطعِ دو خط، هر دو نمک انحلال‌پذیریِ برابر دارند و پیش و پسِ آن، ترتیبشان برعکس می‌شود.

نکتهٔ دیگری که در مسائل صریحاً فرض می‌شود: اگر دو نمکِ متفاوت هم‌زمان در یک ظرف حل شوند، هر کدام طوری رفتار می‌کند که انگار تنهاست؛ پس رسوبِ هر نمک را با معادلهٔ خطِ خودش و مستقل از دیگری حساب می‌کنیم. و وقتی محلولِ سیرشدهٔ داغ سرد شود، حل‌شوندهٔ اضافی به شکلِ بلور ته‌نشین می‌شود — همان تبلورِ مجدد که روشی رایج برای خالص‌سازیِ جامدهاست.

گازها، فشار و نمک: طبقِ قانونِ هنری، انحلال‌پذیریِ گاز با فشارِ جزئیِ آن متناسب است ( $S_g=k_H\times P_g$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین). در عمقِ دریا فشار بالاست و نیتروژنِ بیشتری در خونِ غواص حل می‌شود؛ بالا آمدنِ سریع، فشار را ناگهان کم می‌کند و نیتروژن به‌صورتِ حباب آزاد می‌شود که همان بیماریِ کیسون است. برای همین از مخلوطِ اکسیژن و هلیم استفاده می‌کنند، چون هلیم انحلال‌پذیریِ کمتری دارد. نمکِ حل‌شده هم انحلال‌پذیریِ گازها را کم می‌کند (اثرِ نمکی): یون‌ها بخشِ زیادی از مولکول‌های آب را دورِ خود مشغول می‌کنند و آبِ کمتری برای گاز می‌ماند؛ برای همین آبِ دریا گازِ کمتری از آبِ شیرینِ هم‌دما نگه می‌دارد.

غلظت: چند زبان برای یک ایده

غلظت یعنی مقدارِ حل‌شونده در مقدارِ معینی از حلال یا محلول. چهار بیانِ رایج داریم:

قسمت در میلیون ( $ppm$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین) برای محلول‌های بسیار رقیق مثلِ آبِ آشامیدنی و آلاینده‌ها به کار می‌رود؛ یکای جرم در صورت و مخرج باید یکی باشد:

ppm=\frac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times 10^{6}

برای نمونه $0.05\ \text{mg}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یونِ فلوئورید در $200\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آب یعنی $0.25\ ppm$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

درصدِ جرمی جرمِ حل‌شونده به‌ازای هر صد گرم محلول است و با $ppm$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رابطهٔ ساده‌ای دارد:

\%W/W=\frac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times 100,\qquad ppm=\%W/W\times 10^{4}

سِرُمِ استریلِ $0.9\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین یعنی در هر $100\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین محلول $0.9\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین نمک؛ چون با مایعاتِ بدن هم‌فشار (ایزوتونیک) است در پزشکی پرکاربرد است.

غلظتِ مولار شمارِ مولِ حل‌شونده در یک لیتر محلول است و یکایش $\text{mol/L}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین:

C_M=\frac{n}{V(\text{L})}\ \Rightarrow\ n=C_M\times V(\text{L})

شوری کمیتِ ویژهٔ اقیانوس‌شناسی است: گرمِ نمکِ کلِ حل‌شده در هر کیلوگرم آبِ دریا، با نمادِ ‰. میانگینِ شوریِ اقیانوس‌ها حدودِ $35\ ‰$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است، یعنی در هر کیلوگرم آبِ دریا نزدیکِ ۳۵ گرم نمک. تبدیلش هم ساده است: شوری تقریباً برابرِ $ppm/1000$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و برابرِ ده‌برابرِ درصدِ جرمی است. دریای مرده با شوریِ نزدیکِ $340\ ‰$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین چنان چگال است که بدنِ انسان روی آن شناور می‌ماند.

پلِ میانِ درصدِ جرمی و مولار: برچسبِ بطری‌های آزمایشگاهی معمولاً درصدِ جرمی و چگالی را می‌دهد. اگر $100\ \text{g}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین محلول را مبنا بگیری، جرمِ حل‌شونده همان عددِ درصد است و حجم $0.1/d$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر؛ از تقسیمِ این دو می‌رسیم به:

C_M=\frac{10\times d\times \%W/W}{M}\qquad\Longleftrightarrow\qquad \%W/W=\frac{C_M\times M}{10\times d}

اختلاط و تبخیر: وقتی دو محلول از یک حل‌شوندهٔ یکسان مخلوط می‌شوند، هیچ مولِ تازه‌ای ساخته یا نابود نمی‌شود؛ فقط همان مول‌ها در حجمِ تازه پخش می‌شوند. پس مبنای محاسبه پایستگیِ شمارِ مول است:

C_f\times V_f=C_1V_1+C_2V_2

در تبخیرِ حلال هم شمارِ مول ثابت می‌ماند و فقط حجم کم می‌شود، پس غلظت بالا می‌رود. قاعدهٔ عملی در هر دو حالت یکی است: اول ببین چه کمیتی ثابت می‌ماند — همان پلِ میانِ حالتِ اول و دوم است.

گاهی هم به‌جای عدد، چند دایره با نقطه‌هایی داخلشان می‌بینی. آنجا غلظتِ نسبی با شمارِ نقطه تقسیم بر حجمِ ظرف سنجیده می‌شود، نه شمارِ نقطه به‌تنهایی — همان شهودِ پشتِ $C_M=n/V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین.

نام‌گذاری و فرمول‌نویسی

یون‌های چنداتمیِ پرکاربرد را باید مثلِ یک واژه به خاطر سپرد: سیانید $\text{CN}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، نیترات $\text{NO}_3^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، کربنات $\text{CO}_3^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، سولفات $\text{SO}_4^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، سیلیکات $\text{SiO}_3^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین، فسفات $\text{PO}_4^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و کاتیونِ آمونیوم $\text{NH}_4^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. (سولفید $\text{S}^{2-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و نیترید $\text{N}^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در واقع تک‌اتمی‌اند، هرچند کنارِ همین خانواده یاد گرفته می‌شوند.)

برای نوشتنِ فرمولِ یک ترکیبِ یونی از روی نام، بارِ مثبتِ کل باید با بارِ منفیِ کل برابر شود؛ ساده‌ترین راه ضربِ ضربدری است: عددِ بارِ هر یون (بدونِ علامت) زیرنویسِ یونِ مقابل می‌شود و در پایان زیرنویس‌ها را ساده می‌کنیم. پس $\text{Al}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $\text{PO}_4^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $\text{AlPO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسد و $\text{NH}_4^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با $\text{PO}_4^{3-}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به $(\text{NH}_4)_3\text{PO}_4$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. یونِ چنداتمی فقط وقتی پرانتز می‌گیرد که بیش از یک‌بار تکرار شود.

فلزهای واسطه بارِ ثابت ندارند؛ آهن گاهی $\text{Fe}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و گاهی $\text{Fe}^{3+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین. برای رفعِ ابهام، بارِ فلز را با عددِ رومی داخلِ پرانتز بعدِ نامش می‌نویسیم: $\text{FeCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آهن (II) کلرید و $\text{FeCl}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین آهن (III) کلرید. دامِ اصلی اینجاست که عددِ رومی بارِ یک اتم از فلز را نشان می‌دهد، نه مجموعِ بارِ همهٔ اتم‌های آن: در $\text{Cu}_2\text{O}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین اکسیژن $2-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است و چون دو اتمِ مس داریم، هر مس $1+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود، پس نامش مس (I) اکسید است نه مس (II).

ترکیب‌های مولکولیِ دوعنصری قاعدهٔ دیگری دارند: تعدادِ اتم‌ها را با پیشوندهای یونانی می‌نویسیم (مونو، دی، تری، تترا، پنتا، هگزا، هپتا، اکتا) و مونو برای عنصرِ اول حذف می‌شود؛ پس $\text{N}_2\text{O}_3$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین دی‌نیتروژن تری‌اکسید و $\text{PCl}_5$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین فسفر پنتاکلرید است. تفاوتِ دو سبک را خوب نگه دار: در ترکیبِ یونی بار را می‌نویسیم و در ترکیبِ مولکولی تعدادِ اتم‌ها.

در رسمِ ساختارِ لوویسِ یونِ چنداتمی، فقط یک گامِ اضافه داری: بار را به شمارِ الکترون‌های ظرفیت اضافه کن (آنیون) یا از آن کم کن (کاتیون). در $\text{NH}_4^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین این شمار $8$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌شود که دقیقاً چهار پیوندِ $\text{N-H}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌سازد و جفتِ آزادی روی نیتروژن نمی‌ماند.

رسوب‌گذاری و استوکیومتریِ محلول‌ها

وقتی دو محلولِ آبی مخلوط می‌شوند، ممکن است ماده‌ای نامحلول تشکیل شود و رسوب کند:

\text{BaCl}_2(aq)+\text{Na}_2\text{SO}_4(aq)\rightarrow \text{BaSO}_4(s)\downarrow+2\text{NaCl}(aq)

رسوبِ سفیدِ باریم سولفات آزمونِ شناساییِ یونِ $\text{Ba}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین در محلولِ مجهول است. همین ایده در صنعت هم به کار می‌رود: برای استخراجِ منیزیم از آبِ دریا، اول یونِ $\text{Mg}^{2+}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را با یونِ هیدروکسید به‌صورتِ $\text{Mg(OH)}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین رسوب می‌دهند، سپس رسوب را در اسیدِ کلریدریک حل می‌کنند تا $\text{MgCl}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین به دست آید، و در پایان مذابِ آن را برقکافت می‌کنند تا فلزِ منیزیم و گازِ کلر جدا شود.

اما محلول‌ها اغلب برای واکنش با هم مخلوط می‌شوند، نه فقط برای رقیق و غلیظ شدن؛ آن‌وقت باید غلظت و معادلهٔ موازنه‌شده را کنارِ هم گذاشت. مثلِ آب‌رسانی در یک مسابقهٔ دو که وقتی پارچ‌ها تمام شوند کار متوقف می‌شود — هرچند دوندهٔ تشنه هنوز در صف باشد — در شیمی هم واکنش‌دهنده‌ای که زودتر تمام شود واکنش‌دهندهٔ محدودکننده است و مقدارِ فرآورده فقط بر پایهٔ آن حساب می‌شود.

روشِ کار چهار گام دارد: معادله را موازنه کن؛ شمارِ مولِ هر واکنش‌دهنده را از $n=C_M\times V$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین بگیر؛ هر مول را بر ضریبِ استوکیومتریِ خودش تقسیم کن تا کوچک‌ترین نتیجه، محدودکننده را نشان دهد؛ و فرآورده را فقط بر پایهٔ همان حساب کن. نادیده‌گرفتنِ آن تقسیم بر ضریب، رایج‌ترین خطای این نوع سؤال است.

اسمز و آبِ قابلِ استفاده

غشای نیمه‌تراوا مولکول‌های کوچک مثلِ آب را عبور می‌دهد ولی جلوی ذره‌های بزرگ‌تر را می‌گیرد، و اسمز حرکتِ خودبه‌خودیِ حلال از محلولِ رقیق‌تر به غلیظ‌تر از میانِ چنین غشایی است. حبوبات در آب متورم می‌شوند چون درونشان غلیظ‌تر است؛ خیار در آبِ نمک چروک می‌شود چون بیرونش غلیظ‌تر است.

یک لولهٔ $U$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین را تصور کن که غشا وسطش نصب شده و در یک بازو آبِ خالص و در بازوی دیگر محلولِ نمکی است. مولکول‌های آب در هر دو جهت از غشا عبور می‌کنند، اما چون در سمتِ غلیظ بخشی از سطحِ غشا را یون‌ها اشغال کرده‌اند، جریانِ خالص از سمتِ خالص به سمتِ غلیظ است. سطحِ بازوی غلیظ بالا می‌آید تا فشارِ ستونِ اضافیِ مایع — همان فشارِ اسمزی — با گرایشِ اسمزی برابر شود. در تعادل، عبورِ مولکول‌ها متوقف نمی‌شود؛ فقط نرخِ رفت و برگشت برابر می‌شوند و جریانِ خالص صفر می‌شود.

اسمزِ معکوس همین روند را وارونه می‌کند: اگر فشاری بیشتر از فشارِ اسمزی به بازوی محلولِ غلیظ وارد کنیم، آب از محلولِ شور به سمتِ آبِ خالص رانده می‌شود و چون غشا یون‌ها را عبور نمی‌دهد، آنچه بیرون می‌آید آبِ شیرین است. فشاری برابر با فشارِ اسمزی فقط سامانه را ساکن نگه می‌دارد و جهت را برنمی‌گرداند.

سه روشِ اصلیِ نمک‌زدایی عبارت‌اند از تقطیر (گرم‌کردنِ آبِ شور و چگالاندنِ بخارِ بی‌نمک)، اسمزِ معکوس و الکترودیالیز (جداسازیِ یون‌ها با جریانِ برق). سادهٔ بی‌سوختش آب‌شیرین‌کنِ خورشیدی است: حوضی کم‌عمق زیرِ سقفی شفاف و شیب‌دار که بخارِ حاصل روی آن چگالیده می‌شود و قطره‌ها به ناودان می‌لغزند.

صنعت گاهی جهتِ عکس را می‌خواهد. در تبلور، آبِ دریا در حوضچه‌های ساحلی زیرِ آفتاب می‌ماند تا غلظتِ نمک از حدِ انحلال‌پذیری بگذرد و بلورهای سدیم کلرید ته‌نشین شوند: آنجا هدف جداکردنِ آب از نمک بود و اینجا جداکردنِ نمک از آب. نزدیک به نیمی از سدیم کلریدِ جهان هم صرفِ تهیهٔ فلزِ سدیم، گازِ کلر، سودسوزآور و اکسیژن می‌شود، و پاشیدنِ نمک روی جادهٔ برفی کار می‌کند چون نقطهٔ انجمادِ آب را پایین می‌آورد.

آب در مقیاسِ سیاره

حدودِ $75\%$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین سطحِ زمین را آب پوشانده و جرمِ کلِ آن نزدیکِ $1.5\times 10^{18}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تن است؛ اگر زمین مسطح بود، این آب همه‌جا را تا بیش از دو کیلومتر می‌پوشاند — با این حال بیشترش شور است و به کارِ آشامیدن یا کشاورزی نمی‌آید. زمین را می‌توان چهار بخشِ در حالِ دادوستد دید: هواکره (لایهٔ گازی)، آب‌کره (اقیانوس‌ها، دریاها، رودها و یخچال‌ها)، سنگ‌کره (پوستهٔ سنگی) و زیست‌کره (همهٔ جانداران). بخارِ آب از دریا به هواکره می‌رود و با باران برمی‌گردد، آبزیان سالانه میلیاردها تن $\text{CO}_2$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین وارد هوا می‌کنند، آتشفشان‌ها گاز و غبار می‌فرستند و لاشهٔ جانداران به خاک و آب بازمی‌گردد.

آبِ دریا مخلوطی همگن با حدودِ $5\times 10^{16}$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین تن نمکِ حل‌شده است. سالانه میلیاردها تن ماده از سنگ‌کره واردش می‌شود، ولی چون جرمِ کلِ موادِ حل‌شده تقریباً ثابت مانده، همان مقدار هم با رسوب‌گذاری و چرخه‌های زیست‌شیمیایی خارج می‌شود. فراوان‌ترین آنیون آن $\text{Cl}^-$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با حدودِ $19000\ ppm$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین و فراوان‌ترین کاتیون آن $\text{Na}^+$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین با حدودِ $10500\ ppm$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است؛ پس از آن‌ها سولفات، منیزیم، کلسیم و پتاسیم قرار می‌گیرند. جمعِ همین شش یون به حدودِ $34285\ ppm$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین می‌رسد که تقریباً همان شوریِ میانگینِ $35\ ‰$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین است.

در پایان، ردپای آب یادآوری می‌کند مصرفِ واقعیِ ما بسیار بیشتر از آبی است که مستقیم می‌نوشیم: یک کیلوگرم گندم حدودِ $1500$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر، یک لیوان قهوه حدودِ $200$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر و یک کیلوگرم گوشتِ گاو نزدیکِ $15000$ ادامهٔ فرمول را افقی ببین لیتر آب می‌خواهد، و ردپای سالانهٔ هر فرد به حدودِ یک میلیون لیتر می‌رسد. از یک قطره روی لیوانِ سرد تا این ارقام، همه به یک چیز برمی‌گردند: خمیدگیِ یک مولکولِ کوچک و قطبیتی که از آن زاده می‌شود.