آب، محلول‌ها و انحلال‌پذیری (شیمی ۱)

آب در کرهٔ زمین

۷۵٪ سطح زمین را آب پوشانده و جرم کل آب‌های زمین حدود $1.5\times10^{18}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تن است — اگر زمین مسطح بود، آب همهٔ سطح آن را تا بیش از ۲ کیلومتر می‌پوشاند؛ با این حال بیشتر این آب شور است و برای آشامیدن یا کشاورزی مناسب نیست. سامانهٔ زمین از چهار بخش پیوسته تشکیل شده: هواکره (اتمسفر)، آب‌کره (هیدروسفر: اقیانوس‌ها، دریاها، رودها، یخچال‌ها)، سنگ‌کره (لیتوسفر) و زیست‌کره (بیوسفر). این چهار بخش پیوسته مواد رد و بدل می‌کنند: بخار آب دریاها وارد هواکره و به‌صورت باران به آب‌کره یا سنگ‌کره بازمی‌گردد، جانداران آبزی سالانه میلیاردها تن $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی وارد هواکره می‌کنند، آتشفشان‌ها گاز و گرد و غبار شیمیایی می‌فرستند و لاشهٔ جانوران با تجزیهٔ شیمیایی وارد خاک، هوا یا آب می‌شود.

ترکیب آب دریا و رسوب‌گذاری

آب دریا مخلوطی همگن با حدود $5\times10^{16}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی تن نمک حل‌شده است؛ هرساله میلیاردها تن ماده از سنگ‌کره وارد آب دریا می‌شود و چون جرم کل مواد حل‌شده تقریباً ثابت مانده، همان مقدار نیز باید خارج شود. فراوان‌ترین آنیون آب دریا $\text{Cl}^-$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (حدود ۱۹۰۰۰ میلی‌گرم بر کیلوگرم) و فراوان‌ترین کاتیون $\text{Na}^+$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (حدود ۱۰۵۰۰) است؛ یون‌های سولفات، منیزیم، کلسیم و پتاسیم نیز به مقدار کمتر حضور دارند و تعادل آن‌ها با رسوب‌گذاری، جذب رسوبات بستر دریا و چرخه‌های بیوشیمیایی حفظ می‌شود. وقتی دو محلول آبی مخلوط شوند، ممکن است مادهٔ نامحلولی رسوب کند؛ مثلاً $\text{BaCl}_2+\text{Na}_2\text{SO}_4\rightarrow\text{BaSO}_4\downarrow+2\text{NaCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یا $3\text{CaCl}_2+2\text{Na}_3\text{PO}_4\rightarrow\text{Ca}_3(\text{PO}_4)_2\downarrow+6\text{NaCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، و رسوب سفید باریم سولفات ابزار شناسایی یون باریم در محلول مجهول است. استخراج منیزیم از آب دریا نیز با رسوب‌دادن $\text{Mg(OH)}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی از یون $\text{Mg}^{2+}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی، سپس تبدیل آن با اسید کلریدریک به $\text{MgCl}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و در نهایت برقکافت مذاب آن به فلز منیزیم و گاز کلر انجام می‌شود.

غلظت محلول‌ها

غلظت نسبت مقدار حل‌شونده به مقدار حلال یا محلول است و به سه صورت رایج بیان می‌شود: ppm (قسمت در میلیون) $=\dfrac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times10^6$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برای محلول‌های بسیار رقیق مانند آب آشامیدنی یا آلاینده‌های هوا (یکای جرم در صورت و مخرج باید یکسان باشد)؛ درصد جرمی $=\dfrac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times100$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که با ppm رابطهٔ $ppm=\%W/W\times10^4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد؛ و غلظت مولار $C_M=\dfrac{n}{V(\text{L})}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که واحدش mol/L است و در آزمایشگاه و صنعت کاربرد دارد ($n=C_M\times V$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی). برای نمونه محلول استریل سدیم کلرید ۰.۹٪ به دلیل هم‌فشار بودن با مایعات بدن (ایزوتونیک) در پزشکی پرکاربرد است، و در آب دریا غلظت یون کلرید معادل ۱۹۰۰۰ ppm یا ۱.۹٪ جرمی است. غلظت‌های بسیار رقیق نیز با ppm سنجیده می‌شوند: برای نمونه در یک نمونهٔ ۲۰۰ گرمی آب آشامیدنی با ۰.۰۵ میلی‌گرم یون فلوئورید، غلظت برابر ۰.۲۵ ppm است؛ در آب آشامیدنی، غلظت یون نیترات باید در کمترین حد ممکن بماند چون برای نوزادان خطر مسمومیت دارد.

انحلال‌پذیری

انحلال‌پذیری بیشترین مقدار حل‌شونده‌ای است که در ۱۰۰ گرم حلال، در دمای معین، حل می‌شود؛ محلولی که به این حد رسیده «سیرشده» نام دارد و افزودن حل‌شوندهٔ بیشتر به آن رسوب ایجاد می‌کند. اغلب جامدات یونی با افزایش دما انحلال‌پذیری بیشتری پیدا می‌کنند (استثنا: لیتیم سولفات)، در حالی‌که انحلال‌پذیری گازها با افزایش دما کاهش می‌یابد — طبق قانون هنری ($S_g=k_H\times P_g$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) نیز انحلال‌پذیری گاز با فشار جزئی آن متناسب است. به همین دلیل غواصی که سریع به سطح آب بازمی‌گردد دچار بیماری کیسون می‌شود، چون نیتروژن حل‌شده در خون به‌ناگهان به حباب تبدیل می‌شود؛ امروزه از مخلوط اکسیژن-هلیم به‌جای هوا استفاده می‌شود چون هلیم انحلال‌پذیری کمتری دارد. رابطهٔ انحلال‌پذیری با دما اغلب خطی مدل می‌شود (مثلاً $S=0.8\theta+72$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برای سدیم نیترات در برابر $S\approx0.32\theta+27$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برای پتاسیم کلرید)؛ شیب بزرگ‌تر یعنی حساسیت بیشتر به دما، و در هر دمایی انحلال‌پذیری سدیم نیترات از پتاسیم کلرید بیشتر است چون قطبیت بالاتری دارد و با آب برهم‌کنش قوی‌تری برقرار می‌کند. روی نمودار انحلال‌پذیری، نقطهٔ بالای منحنی محلول فوق‌سیرشده (ناپایدار)، روی منحنی محلول سیرشده و پایین آن محلول سیرنشده را نشان می‌دهد؛ وقتی محلول سیرشدهٔ داغ سرد می‌شود، حل‌شوندهٔ اضافی به‌صورت کریستال رسوب می‌کند که به آن تبلور مجدد گفته می‌شود و از روش‌های خالص‌سازی مواد جامد است.

ساختار مولکول آب و قطبیت

مولکول آب ساختار خمیده (V شکل) با زاویهٔ پیوند ۱۰۴.۵ درجه دارد؛ دو جفت الکترون آزاد روی اکسیژن این زاویه را از حالت چهاروجهی ایده‌آل کوچک‌تر می‌کند. مولکول قطبی مولکولی است که مراکز بار مثبت و منفی‌اش بر هم منطبق نیستند و گشتاور دوقطبی دارد (مثل $\text{H}_2\text{O}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{HCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)؛ مولکول ناقطبی برعکس این است (مثل $\text{CO}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و $\text{CH}_4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی که با وجود پیوندهای قطبی، به دلیل تقارن هندسی خنثی می‌شوند). مولکول‌های قطبی در میدان الکتریکی جهت می‌گیرند، ناقطبی‌ها نه.

نیروهای بین‌مولکولی به ترتیب قدرت عبارت‌اند از پیوند هیدروژنی (قوی، در $\text{N-H}،\text{O-H}،\text{F-H}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی)، دوقطبی–دوقطبی (متوسط) و واندروالس (ضعیف، در همهٔ مولکول‌ها هست و با افزایش جرم مولی قوی‌تر می‌شود؛ برای همین در هالوژن‌های دواتمی، $\text{Cl}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی گاز، $\text{Br}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی مایع و $\text{I}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی جامد است). با وجود جرم مولی تقریباً برابر، $\text{HCl}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (قطبی) نقطهٔ جوش بالاتری از $\text{F}_2$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (ناقطبی) دارد چون نیروی دوقطبی–دوقطبی اضافی دارد. آب به دلیل پیوند هیدروژنی نقطهٔ جوش غیرعادی بالایی دارد: هر مولکول آب می‌تواند چهار پیوند هیدروژنی برقرار کند (دو به‌عنوان دهنده از هیدروژن‌های خود، دو به‌عنوان گیرنده از جفت‌الکترون‌های آزاد اکسیژن)، و مقایسه با $\text{H}_2\text{S}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی (بدون پیوند هیدروژنی مؤثر، نقطهٔ جوش $-60°\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی در برابر $100°\text{C}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی آب) این تفاوت ۱۶۰ درجه‌ای را نشان می‌دهد.

یخ، انحلال و اسمز

در یخ هر اتم اکسیژن با دو هیدروژن پیوند کووالانسی و با دو هیدروژن مولکول‌های همسایه پیوند هیدروژنی دارد و ساختاری شبکه‌ای شش‌ضلعی با فضای خالی زیاد می‌سازد؛ به همین دلیل چگالی یخ کمتر از آب مایع است و یخ روی آب شناور می‌ماند — برخلاف اغلب مواد که هنگام انجماد منقبض می‌شوند. این ویژگی از یخ‌زدن کامل دریاچه‌ها و مرگ آبزیان جلوگیری می‌کند.

اصل «مانند، مانند را حل می‌کند» توضیح می‌دهد چرا حلال قطبی (آب) حل‌شوندهٔ قطبی یا یونی را حل می‌کند اما با ماده‌ای ناقطبی (مثل روغن یا هگزان) مخلوط ناهمگن می‌سازد. انحلال نمک در آب دو مرحله دارد: ابتدا نیروی یون–دوقطبی یون‌ها را از شبکهٔ بلوری جدا می‌کند، سپس مولکول‌های آب دور هر یون لایه‌ای تشکیل می‌دهند (آب‌پوشیده‌شدن) — کاتیون‌ها را سر منفی (اکسیژن) و آنیون‌ها را سر مثبت (هیدروژن) آب احاطه می‌کند. اسمز حرکت خودبه‌خودی آب از محلول رقیق‌تر به غلیظ‌تر از میان غشای نیمه‌تراواست؛ نمونهٔ آن متورم‌شدن حبوبات در آب و چروکیده‌شدن خیار در آب نمک است. در اسمز معکوس، با اعمال فشار زیاد آب از محلول غلیظ به رقیق رانده می‌شود — روشی پرمصرف اما مؤثر برای شیرین‌سازی آب دریا، در کنار تقطیر و الکترودیالیز.

ردپای آب

ردپای آب مقدار کل آب مصرفی مستقیم و غیرمستقیم یک فرد یا محصول است؛ برای نمونه یک کیلوگرم گندم حدود ۱۵۰۰ لیتر، یک لیوان قهوه حدود ۲۰۰ لیتر، یک کیلوگرم گوشت گاو حدود ۱۵۰۰۰ لیتر و میانگین ردپای سالانهٔ هر فرد نزدیک به یک میلیون لیتر آب است — یادآوری اینکه مصرف واقعی آب هر فرد فراتر از آنچه مستقیماً می‌نوشد یا در خانه مصرف می‌کند است و در تولید غذا و کالاها نیز پنهان شده است.