۱۰۰ هزار تومان هدیهٔ ثبت‌نام، تا ۱ میلیونبا ثبت‌نام گردونهٔ هدیه را بچرخان: دست‌کم ۱۰۰٬۰۰۰ تومان و تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه، بدون کارت بانکیگردونهٔ هدیه۱ میلیون برای تو، ۱ میلیون برای دوستتدوستانت را دعوت کن: برای هر دوستی که فعال شود ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومان اعتبار هدیه می‌گیری و خودش هم ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ تومانجوایز
1xAi
شیمی ۱ · فصل ۳

خلاصه درس فصل ۳ شیمی دهم؛ درسنامه و نکات مهم

«آب، آهنگ زندگی»، فصل ۳ کتاب شیمی ۱، صفحهٔ ۸۵ تا ۱۲۶، پایهٔ دهم: ۱۰ درس، هر کدام با توضیح مفاهیم، مثال حل‌شده و نکات مهم.

این درسنامه را هوش مصنوعی 1xAi از روی صفحه‌های همان درس در کتاب درسی نوشته است (برچسب «تولید هوش مصنوعی»). کنار توضیح‌ها شمارهٔ صفحهٔ کتاب آمده تا با کتاب مقایسه کنی، و مثال حل‌شدهٔ هر درس یک بار دیگر جداگانه حل و بررسی شده؛ مثالی که درست درنیامده حذف شده است.

نمونه سوال این فصل با جواب

درس ۱ · صفحهٔ ۸۵ تا ۹۷ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

محلول و مقدار حل شونده‌ها

در این درس یاد می‌گیری مفهوم قسمت در میلیون را توضیح دهی و غلظت یک حل‌شونده را با یکسان کردن یکاهای جرم محاسبه کنی.

پیش از شروع

روی برچسب یک بطری آب، مقدار یون‌های حل‌شده نوشته شده است؛ چطور ممکن است آب کاملاً شفاف باشد، اما خالص نباشد؟

شفاف بودن یعنی ذره‌های معلق قابل مشاهده نمی‌بینیم، نه اینکه هیچ ماده‌ای در آب حل نشده باشد. آب آشامیدنی می‌تواند مقدار کمی یون حل‌شده داشته باشد؛ برای بیان چنین مقدارهای کمی، «قسمت در میلیون» به کار می‌آید.

غلظت؛ سهم حل‌شونده

وقتی نمک در آب حل می‌شود، محلول به دست می‌آید؛ آب حلال و نمک حل‌شونده است. برای شناخت محلول فقط نام این دو کافی نیست؛ باید بدانیم چه مقدار حل‌شونده در مقدار معینی از محلول وجود دارد. این همان چیزی است که غلظت بیان می‌کند.

مثلاً برای مقایسهٔ شیرینی دو لیوان شربت، فقط مقدار شکر کافی نیست؛ مقدار شربت هم مهم است. شکر بیشتر در یک ظرف بسیار بزرگ، لزوماً شربت غلیظ‌تری نمی‌سازد. در ادامه، برای بیان غلظت از نسبت جرم حل‌شونده به جرم کل محلول استفاده می‌کنیم. یادت باشد جرم محلول شامل جرم حلال و حل‌شونده با هم است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۴

یک سهم از یک میلیون

وقتی مقدار حل‌شونده بسیار کم است، نوشتن جرم آن با عددهای اعشاری کوچک، خواندن و مقایسه را دشوار می‌کند. «قسمت در میلیون» با نماد ppm\mathrm{ppm} راهی ساده‌تر برای بیان این غلظت‌هاست؛ مثل مقدار بعضی یون‌های موجود در آب آشامیدنی.

در بیان جرمی، تصور کن یک میلیون قسمت هم‌جرم از محلول داریم. غلظت قسمت در میلیون می‌گوید چند قسمت از این مجموعه، حل‌شونده است. بنابراین غلظت 2 ppm2\,\mathrm{ppm} یعنی در هر 106 g10^6\,\mathrm{g} محلول، 2 g2\,\mathrm{g} حل‌شونده وجود دارد. لازم نیست واقعاً چنین جرم بزرگی از محلول داشته باشیم؛ این عدد فقط نسبت را نشان می‌دهد و برای یک نمونهٔ کوچک هم معنا دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۵

رابطه و دامِ یکاها

برای محاسبه، جرم حل‌شونده را بر جرم کل محلول تقسیم می‌کنیم و حاصل را در یک میلیون ضرب می‌کنیم:

ppm=جرم حل‌شوندهجرم محلول×106\mathrm{ppm}=\dfrac{\text{جرم حل‌شونده}}{\text{جرم محلول}}\times10^6

پیش از جای‌گذاری، یکای دو جرم را یکسان کن. اگر جرم یون به میلی‌گرم و جرم نمونه به گرم داده شده، می‌توانی میلی‌گرم را به گرم تبدیل کنی: 1 mg=10−3 g1\,\mathrm{mg}=10^{-3}\,\mathrm{g}. می‌توان هر دو جرم را به میلی‌گرم هم نوشت؛ مهم یکسان بودن یکاهاست.

دو نکته جلوی بیشتر اشتباه‌ها را می‌گیرد: مخرج، جرم محلول است، نه فقط آب؛ و اگر جرم آب و حل‌شونده جداگانه داده شوند، برای یافتن جرم محلول باید آن‌ها را جمع کرد. اما وقتی جرم خودِ نمونهٔ محلول داده شده، دوباره جرم حل‌شونده را به آن اضافه نکن.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۵

مثال حل‌شده

در یک نمونه آب آشامیدنی به جرم 250 g250\,\mathrm{g}، مقدار 0.15 mg0.15\,\mathrm{mg} یون فلوئورید وجود دارد. غلظت یون فلوئورید را برحسب ppm\mathrm{ppm} حساب کن.

  1. داده‌ها را مشخص می‌کنیم: جرم حل‌شونده 0.15 mg0.15\,\mathrm{mg} و جرم کل محلول 250 g250\,\mathrm{g} است؛ پس نیازی به جمع کردن این دو جرم نیست.

  2. یکاها را یکسان می‌کنیم: 0.15 mg=0.15×10−3 g=1.5×10−4 g0.15\,\mathrm{mg}=0.15\times10^{-3}\,\mathrm{g}=1.5\times10^{-4}\,\mathrm{g}.

  3. در رابطه جای‌گذاری می‌کنیم: ppm=1.5×10−4 g250 g×106\mathrm{ppm}=\dfrac{1.5\times10^{-4}\,\mathrm{g}}{250\,\mathrm{g}}\times10^6.

  4. محاسبه می‌کنیم: ppm=0.6\mathrm{ppm}=0.6. یعنی در هر 106 g10^6\,\mathrm{g} از محلولی با همین ترکیب، 0.6 g0.6\,\mathrm{g} یون فلوئورید وجود دارد.

جواب: غلظت یون فلوئورید در این نمونه برابر با 0.6 ppm0.6\,\mathrm{ppm} است.

نکات مهم

  • قسمت در میلیون نشان می‌دهد در یک میلیون قسمت جرمی از محلول، چند قسمت جرمی حل‌شونده وجود دارد.
  • برای محاسبهٔ قسمت در میلیون، نسبت جرم حل‌شونده به جرم کل محلول را در 10610^6 ضرب می‌کنیم.
  • پیش از محاسبه باید یکای دو جرم را یکسان کنیم و جرم حلال را با جرم محلول اشتباه نگیریم.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۲ · صفحهٔ ۹۷ تا ۹۸ · حدود ۱۰ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

پیوند با صنعت

در این درس یاد می‌گیری … تبلور و اهمیت صنعتی مواد موجود در آب دریا را توضیح بدهی، درصد جرمی یک محلول را حساب کنی و کمیت‌های سازندهٔ غلظت مولی را بشناسی.

پیش از شروع

نمکدان روی سفره چه ارتباطی با تولید کاغذ، پلاستیک و حتی گاز کلر دارد؟

مادهٔ اصلی نمک خوراکی، سدیم کلرید، فقط یک چاشنی نیست؛ مادهٔ اولیهٔ بسیاری از فعالیت‌های صنعتی هم هست. دریا یکی از منابع تهیهٔ این ماده و مواد ارزشمند دیگر است؛ برای استفاده از محلول‌ها در صنعت نیز باید غلظت آن‌ها را بشناسیم.

از آب دریا تا بلور نمک

دریا فقط آب نیست؛ مقدار زیادی مادهٔ حل‌شده هم در آن وجود دارد. برای استفاده از این مواد، باید آن‌ها را از آب جدا کنیم. یکی از روش‌های مهم برای جداسازی سدیم کلرید، تبلور است: یعنی حل‌شونده از محلول به شکل بلور جامد جدا شود.

در حوضچه‌های استخراج نمک، تبخیر باعث کم شدن آب می‌شود. با ادامهٔ این فرایند و فراهم شدن شرایط، بلورهای نمک تشکیل می‌شوند و می‌توان آن‌ها را جمع‌آوری کرد. پس تبخیر و تبلور یک معنا ندارند: تبخیر به خارج شدن آب مربوط است و تبلور به جدا شدن حل‌شونده به شکل بلور. همچنین آنچه از آب دریا باقی می‌ماند، لزوماً فقط یک نوع نمک نیست؛ آب دریا مواد حل‌شدهٔ گوناگونی دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۷

نمک، فراتر از سفره

وقتی نام نمک خوراکی را می‌شنویم، معمولاً به غذا فکر می‌کنیم؛ اما سدیم کلرید، با فرمول NaCl\mathrm{NaCl}، کاربردهای بسیار گسترده‌تری دارد. از آن در فراوری مواد غذایی، تهیهٔ خمیر کاغذ و تولید موادی مانند گاز کلر و سود سوزآور استفاده می‌شود. پاشیدن نمک روی جاده‌های یخ‌زده نیز یکی دیگر از کاربردهای آن است. پس یک مادهٔ آشنا می‌تواند هم در خانه و هم در کارخانه اهمیت داشته باشد.

دریا منبع مواد ارزشمند دیگری هم هست؛ برای نمونه، می‌توان منیزیم را از مواد موجود در آب دریا به دست آورد. منیزیم در تهیهٔ آلیاژها کاربرد دارد و ترکیب‌های آن در بعضی داروها، مانند شربت معده، استفاده می‌شوند. توجه کن که مصرف دارویی ترکیب‌های منیزیم به معنای خوردن خود فلز منیزیم نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۷

چرا غلظت مولی؟

برای استفاده از یک محلول، فقط شناختن حل‌شونده کافی نیست؛ باید بدانیم چه مقدار از آن در محلول وجود دارد. یکی از راه‌های بیان غلظت، درصد جرمی است. مثلاً سرکهٔ دارای 55 درصد جرمی استیک اسید، در هر 100 g100\,\mathrm{g} محلول، 5 g5\,\mathrm{g} استیک اسید دارد. دقت کن که جرم محلول شامل جرم حل‌شونده و حلال است.

اما در کار آزمایشگاهی، اندازه‌گیری حجم مایع معمولاً از تعیین جرم آن آسان‌تر است؛ مثلاً می‌توان حجم را با استوانهٔ مدرج خواند. از طرف دیگر، شیمیدان‌ها برای بیان مقدار ماده از مول استفاده می‌کنند. بنابراین، بیان غلظت با ارتباط دادن مقدار مولی حل‌شونده به حجم محلول بسیار کاربردی است؛ این شیوه را غلظت مولی یا مولار می‌نامیم. حجم محلول را با حجم حلال اشتباه نگیر؛ منظور، حجم مخلوط نهایی است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۸

مثال حل‌شده

در یکی از نوشابه‌های شکل صفحهٔ ۹۷، جرم قند 29 g29\,\mathrm{g} و جرم کل نوشابه 330 g330\,\mathrm{g} است. درصد جرمی قند را حساب کن.

  1. حل‌شوندهٔ مورد نظر قند است؛ پس جرم حل‌شونده 29 g29\,\mathrm{g} و جرم محلول 330 g330\,\mathrm{g} است.

  2. رابطه را می‌نویسیم: درصد جرمی=جرم حل‌شوندهجرم محلول×100\text{درصد جرمی}=\frac{\text{جرم حل‌شونده}}{\text{جرم محلول}}\times 100.

  3. جرم‌ها واحد یکسان دارند؛ بنابراین جای‌گذاری می‌کنیم: درصد جرمی=29330×100≃8.8%\text{درصد جرمی}=\frac{29}{330}\times 100\simeq 8.8\%.

  4. این نتیجه یعنی در هر 100 g100\,\mathrm{g} از این نوشابه، حدود 8.8 g8.8\,\mathrm{g} قند وجود دارد. مخرج کسر، جرم کل نوشابه است؛ نباید جرم قند را از آن کم کنیم.

جواب: درصد جرمی قند این نوشابه تقریباً 8.8%8.8\% است.

نکات مهم

  • تبلور، جدا شدن حل‌شونده از محلول به شکل بلور جامد است و در استخراج نمک از آب دریا کاربرد دارد.
  • سدیم کلرید و دیگر مواد موجود در آب دریا، علاوه بر کاربردهای روزمره، برای صنعت نیز ارزشمندند.
  • درصد جرمی به جرم حل‌شونده و جرم محلول وابسته است، اما غلظت مولی مقدار مولی حل‌شونده را به حجم محلول ارتباط می‌دهد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۳ · صفحهٔ ۹۸ تا ۱۰۳ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

غلظت مولی (مولار)

در این درس یاد می‌گیری غلظت مولی را تفسیر کنی، مقدار حل‌شونده را به دست آوری و با مفهوم انحلال‌پذیری، سیرشدن محلول و اثر دما بر حل‌شدن نمک‌ها را توضیح دهی.

پیش از شروع

چرا بعضی نمک‌ها به‌راحتی در آب حل می‌شوند، اما بعضی نمک‌های موجود در بدن می‌توانند به شکل سنگ کلیه رسوب کنند؟

مواد مختلف ظرفیت یکسانی برای حل‌شدن در آب ندارند. برای فهمیدن این تفاوت، باید هم مقدار مادۀ موجود در محلول را بشناسیم و هم بیشترین مقداری را که در دمای معین می‌تواند حل شود.

مول در هر لیتر محلول

فرض کن می‌خواهی دو محلول را مقایسه کنی. دانستن مقدار حل‌شونده به‌تنهایی کافی نیست؛ باید بدانی این مقدار در چه حجمی از محلول قرار دارد. غلظت مولی این دو اطلاعات را کنار هم می‌گذارد:

M=nVM=\frac{n}{V}

در این رابطه، nn مقدار حل‌شونده برحسب mol\mathrm{mol} و VV حجم کل محلول برحسب L\mathrm{L} است. یکای غلظت مولی mol L−1\mathrm{mol\,L^{-1}} است که مولار هم نامیده می‌شود. پیش از جای‌گذاری، حجم برحسب میلی‌لیتر را به لیتر تبدیل کن.

محلول 11 مولار یعنی هر 1 L1\,\mathrm{L} از آن، 1 mol1\,\mathrm{mol} حل‌شونده دارد؛ نه اینکه تمام ظرف حتماً همین مقدار ماده داشته باشد. با افزودن آب، مقدار حل‌شونده ثابت می‌ماند ولی حجم بیشتر و محلول رقیق‌تر می‌شود. در مقایسۀ محلول‌هایی با حجم یکسان نیز، هرکدام مول بیشتری از حل‌شونده داشته باشد، غلیظ‌تر است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۹۸

ظرفیت حل‌شدن، حد دارد

آیا می‌توان هر مقدار نمک را در یک لیوان آب حل کرد؟ نه؛ در دمای معین، حل‌شدن هر ماده حدی دارد. انحلال‌پذیری یعنی بیشترین جرم حل‌شونده‌ای که در 100 g100\,\mathrm{g} حلال و در دمای معین حل می‌شود. پس هنگام مقایسه، هم مقدار حلال و هم دما باید مشخص باشند.

محلولی که به این حد رسیده، سیرشده است؛ محلولی که هنوز می‌تواند حل‌شوندۀ بیشتری حل کند، سیرنشده است. اگر به محلول سیرشده باز هم همان جامد را اضافه کنیم، مقدار اضافی در آن شرایط حل نمی‌شود.

تفاوت مواد بسیار زیاد است: در 25∘C25^\circ\mathrm{C}، انحلال‌پذیری سدیم کلرید 36 g36\,\mathrm{g} و کلسیم سولفات فقط 0.23 g0.23\,\mathrm{g} در 100 g100\,\mathrm{g} آب است. دقت کن: مبنای انحلال‌پذیری جرم حلال است، اما مخرج غلظت مولی حجم محلول بود؛ این دو را جابه‌جا نکن.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۰

از انحلال‌پذیری تا رسوب

حالا می‌توانیم معنی «محلول»، «کم‌محلول» و «نامحلول» را دقیق‌تر بفهمیم. در دسته‌بندی کتاب، مقدار حل‌شدن در 100 g100\,\mathrm{g} آب و دمای اتاق ملاک است: بیشتر از 1 g1\,\mathrm{g}، محلول؛ بین 0.01 g0.01\,\mathrm{g} و 1 g1\,\mathrm{g}، کم‌محلول؛ و تا حدود 0.01 g0.01\,\mathrm{g}، نامحلول محسوب می‌شود. پس «نامحلول» لزوماً به معنی حل‌نشدن حتی کوچک‌ترین مقدار نیست.

این محدودیت در بدن هم اهمیت دارد. اگر مقدار برخی نمک‌های کلسیم‌دار از حد قابل‌حل در ادرار فراتر برود، امکان رسوب و تشکیل سنگ کلیه فراهم می‌شود. در نقرس نیز رسوب نمک سدیم اورات در مفاصل درد ایجاد می‌کند. بنابراین، فقط وجود یک نمک در مایع بدن مسئله نیست؛ مقدار آن نسبت به حد انحلال‌پذیری در همان شرایط اهمیت دارد. البته تشکیل این بیماری‌ها عوامل دیگری هم دارد و تنها با این مفهوم توضیح داده نمی‌شود.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۱

دما و خواندن نمودار

انحلال‌پذیری فقط به نوع ماده وابسته نیست؛ دما هم مهم است. نمودار انحلال‌پذیری ــ دما از اندازه‌گیری‌های تجربی ساخته می‌شود. برای خواندن آن، از دمای موردنظر روی محور افقی به منحنی نمک برس و مقدار انحلال‌پذیری را از محور عمودی بخوان.

منحنی صعودی یعنی با گرم‌شدن، مقدار بیشتری حل می‌شود؛ منحنی نزولی یعنی مقدار قابل‌حل کاهش می‌یابد. هرچه منحنی کم‌شیب‌تر باشد، وابستگی انحلال‌پذیری به دما کمتر است. بنابراین نمی‌توان گفت گرم‌کردن همیشه به حل‌شدن بیشتر کمک می‌کند.

اگر داده‌های جدول تقریباً روی یک خط باشند، می‌توان رابطه‌ای مانند S=aθ+bS=a\theta+b نوشت. در این رابطه، aa تغییر انحلال‌پذیری به‌ازای تغییر دما و bb مقدار انحلال‌پذیری در 0∘C0^\circ\mathrm{C} است. داده‌های سدیم نیترات در صفحۀ ۱۰۳ با رابطۀ S=0.8θ+72S=0.8\theta+72 توصیف می‌شوند؛ در آن، دما برحسب درجۀ سلسیوس و انحلال‌پذیری برحسب گرم حل‌شونده در 100 g100\,\mathrm{g} آب است. تعمیم چنین رابطه‌ای به دماهای دور از داده‌ها نیاز به احتیاط دارد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۲

مثال حل‌شده

برای تهیهٔ 250 mL250\,\mathrm{mL} محلول پتاسیم یدید با غلظت 0.2 mol L−10.2\,\mathrm{mol\,L^{-1}}، چند مول پتاسیم یدید لازم است؟

  1. داده‌ها را مشخص می‌کنیم: غلظت مولی M=0.2 mol L−1M=0.2\,\mathrm{mol\,L^{-1}} است و مقدار مول حل‌شونده، یعنی nn، مجهول است.

  2. حجم محلول را به لیتر تبدیل می‌کنیم: V=250 mL×1 L1000 mL=0.250 LV=250\,\mathrm{mL}\times\frac{1\,\mathrm{L}}{1000\,\mathrm{mL}}=0.250\,\mathrm{L}.

  3. از تعریف غلظت مولی، رابطۀ مناسب را می‌سازیم: M=nV⇒n=MVM=\frac{n}{V}\Rightarrow n=MV.

  4. جای‌گذاری می‌کنیم: n=(0.2 mol L−1)(0.250 L)=0.05 moln=(0.2\,\mathrm{mol\,L^{-1}})(0.250\,\mathrm{L})=0.05\,\mathrm{mol}؛ یکای لیتر ساده می‌شود و مول باقی می‌ماند.

  5. پاسخ را بررسی می‌کنیم: حجم محلول یک‌چهارم لیتر است، پس مقدار حل‌شونده هم باید یک‌چهارم مقدار موجود در یک لیتر از همین محلول باشد.

جواب: برای تهیهٔ این محلول به 0.05 mol0.05\,\mathrm{mol} پتاسیم یدید نیاز داریم.

نکات مهم

  • غلظت مولی از رابطۀ M=nVM=\frac{n}{V} به دست می‌آید و حجم در آن، حجم کل محلول برحسب لیتر است.
  • انحلال‌پذیری بیشترین جرم قابل‌حل در 100 g100\,\mathrm{g} حلال و دمای معین است و رسیدن به این حد، محلول سیرشده می‌سازد.
  • انحلال‌پذیری به نوع ماده و دما بستگی دارد و افزایش دما برای همۀ نمک‌ها اثر یکسانی ندارد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۴ · صفحهٔ ۱۰۳ تا ۱۰۵ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

رفتار آب و دیگر مولکول‌ها در میدان الکتریکی

در این درس یاد می‌گیری رفتار مولکول‌های قطبی و ناقطبی را در میدان الکتریکی توضیح دهی و با توجه به قطبیت و جرم مولی، نیروهای بین‌مولکولی و نقطهٔ جوش را مقایسه کنی.

پیش از شروع

چطور ممکن است یک شانهٔ باردار، بدون تماس با آب، مسیر باریکهٔ آن را کج کند؛ مگر آب بار الکتریکی دارد؟

مولکول آب در مجموع خنثی است، اما بار الکتریکی در بخش‌های آن یکسان پخش نشده است. شانهٔ باردار باعث جهت‌گیری مولکول‌های آب می‌شود و باریکه را به سوی خود می‌کشد.

از لیوان آب تا مولکول آب

آب در طبیعت به صورت یخ، آب مایع و بخار دیده می‌شود؛ اما شگفتی‌هایش به همین محدود نیست. مثلاً هنگام یخ زدن حجمش بیشتر می‌شود و می‌تواند بسیاری از مواد را در خود حل کند. برای فهمیدن این رفتارها باید به جای یک لیوان آب، به یک مولکول آب نگاه کنیم.

مولکول آب، H2O\mathrm{H_2O}، صاف و خطی نیست؛ شکلی خمیده، مانند حرف VV دارد. اکسیژن اتم مرکزی است و هر اتم هیدروژن با یک پیوند اشتراکی یگانه به آن وصل شده است. هم نوع اتم‌ها و هم چگونگی قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر، در رفتار آب نقش دارند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۳

قطبی یا ناقطبی؟

در مولکول آب، سمت اکسیژن اندکی منفی و سمت هیدروژن‌ها اندکی مثبت است. این به معنی تبدیل شدن اتم‌ها به یون‌های جداگانه نیست؛ کل مولکول همچنان خنثی است، اما دو سر با ویژگی الکتریکی متفاوت دارد.

وقتی آب در میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، مولکول‌هایش می‌چرخند: سرِ مثبت به سوی بار منفی و سرِ منفی به سوی بار مثبت قرار می‌گیرد. به چنین مولکول‌هایی قطبی یا دوقطبی می‌گوییم. همین رفتار به فهم انحراف باریکهٔ آب کنار شانهٔ باردار کمک می‌کند.

در مقابل، مولکول‌های اکسیژن، O2\mathrm{O_2}، کربن دی‌اکسید، CO2\mathrm{CO_2}، و متان، CH4\mathrm{CH_4}، در میدان جهت‌گیری مشخصی پیدا نمی‌کنند و ناقطبی نامیده می‌شوند. پس داشتن اتم‌های متفاوت، به‌تنهایی برای قطبی دانستن یک مولکول کافی نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۴

جاذبهٔ بیشتر، جوشیدن دشوارتر

مولکول‌ها فقط از میدان الکتریکی تأثیر نمی‌گیرند؛ به یکدیگر هم نیرو وارد می‌کنند. جاذبه‌هایی که میان مولکول‌ها وجود دارد، نیروهای بین‌مولکولی نام دارد. این نیروها را با پیوند اشتراکی میان اتم‌های یک مولکول اشتباه نگیر.

برای جوشیدن یک مایع، مولکول‌ها باید از کنار یکدیگر دور شوند. هرچه جاذبهٔ میان آنها قوی‌تر باشد، این جدایی به انرژی بیشتری نیاز دارد و نقطهٔ جوش بالاتر می‌رود؛ قرار نیست هنگام جوشیدن، پیوندهای درون مولکول شکسته شوند.

در مقایسهٔ مواد مولکولی با جرم مولی مشابه، مادهٔ قطبی معمولاً نقطهٔ جوش بالاتری دارد. پس برای مقایسهٔ اثر قطبیت، ابتدا باید مطمئن شویم تفاوت جرم مولی عامل اصلی مقایسه نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۵

ناقطبی، اما دارای جاذبه

ناقطبی بودن یعنی نداشتن جهت‌گیری مشخص در میدان، نه نداشتن جاذبهٔ بین‌مولکولی. کلر، Cl2\mathrm{Cl_2}، برم، Br2\mathrm{Br_2}، و ید، I2\mathrm{I_2}، همگی مولکول‌های ناقطبی دارند؛ بااین‌حال در دمای 25∘C25^\circ\mathrm{C} به‌ترتیب گاز، مایع و جامدند.

در این گروه، با افزایش جرم مولی از کلر به ید، جاذبه‌های بین‌مولکولی قوی‌تر می‌شوند و دمای جوش افزایش می‌یابد. بنابراین برای مقایسهٔ نیروها، فقط به قطبی یا ناقطبی بودن نگاه نکن؛ جرم مولی هم مهم است.

در گاز، مولکول‌ها از هم دورترند و برهم‌کنش کمتری دارند؛ در مایع نزدیک‌ترند و در جامد مولکولی، جاذبه‌ها آنها را کنار هم نگه می‌دارند. این تصویر کمک می‌کند تفاوت حالت این سه ماده را بفهمیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۵

مثال حل‌شده

دو مادهٔ F2\mathrm{F_2} و HCl\mathrm{HCl} جرم مولی نزدیک دارند. در میدان الکتریکی، مولکول‌های HCl\mathrm{HCl} جهت‌گیری می‌کنند، اما مولکول‌های F2\mathrm{F_2} نه. نقطهٔ جوش آنها به‌ترتیب −188∘C-188^\circ\mathrm{C} و −85∘C-85^\circ\mathrm{C} است. کدام ماده قطبی است و کدام نیروهای بین‌مولکولی قوی‌تری دارد؟

  1. از رفتار در میدان شروع می‌کنیم: جهت‌گیری مولکول‌های HCl\mathrm{HCl} نشان می‌دهد که این مولکول‌ها قطبی‌اند؛ F2\mathrm{F_2} ناقطبی است.

  2. جرم مولی دو ماده نزدیک است؛ بنابراین مقایسهٔ آنها برای بررسی اثر قطبیت مناسب است.

  3. دماها را روی محور اعداد مقایسه می‌کنیم: −85>−188-85>-188؛ پس نقطهٔ جوش HCl\mathrm{HCl} بالاتر است، هرچند هر دو دما منفی‌اند.

  4. نقطهٔ جوش بالاتر یعنی جدا کردن مولکول‌ها به انرژی بیشتری نیاز دارد؛ بنابراین نیروهای بین‌مولکولی در HCl\mathrm{HCl} قوی‌تر است.

جواب: مولکول HCl\mathrm{HCl} قطبی است و جهت‌گیری می‌کند؛ همچنین نیروهای بین‌مولکولی قوی‌تری دارد، زیرا نقطهٔ جوش آن از F2\mathrm{F_2} بالاتر است.

نکات مهم

  • آب مولکولی خمیده و قطبی است که سمت اکسیژن آن منفی‌تر و سمت هیدروژن‌هایش مثبت‌تر است.
  • مولکول‌های قطبی در میدان الکتریکی جهت‌گیری می‌کنند و در جرم مولی مشابه، معمولاً نقطهٔ جوش بالاتری از مواد ناقطبی دارند.
  • مولکول‌های ناقطبی هم جاذبهٔ بین‌مولکولی دارند و در گروه مشابهی مانند کلر، برم و ید، با افزایش جرم مولی دمای جوش افزایش می‌یابد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۵ · صفحهٔ ۱۰۵ تا ۱۰۹ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

نیروهای بین مولکولی آب، فراتر از انتظار

در این درس یاد می‌گیری پیوند هیدروژنی را تشخیص بدهی و با کمک آن، دمای جوش بالای آب و تفاوت آرایش و چگالی آب و یخ را توضیح بدهی.

پیش از شروع

چرا یک تکه یخ روی آب می‌ماند، اما آبِ داخل بافت کلم هنگام یخ زدن می‌تواند دیوارهٔ یاخته‌ها را خراب کند؟

هر دو اتفاق به آرایش مولکول‌های آب هنگام یخ زدن مربوط‌اند. مولکول‌ها در یخ شبکه‌ای با فضاهای خالی می‌سازند؛ در نتیجه آب هنگام انجماد حجم بیشتری می‌گیرد و چگالی آن کم می‌شود.

جاذبه میان همسایه‌ها

برای شروع، دو نوع اتصال را از هم جدا کن: پیوند اشتراکی، اتم‌های داخل یک مولکول را به هم وصل می‌کند؛ نیروی بین‌مولکولی میان مولکول‌های جدا از هم اثر می‌گذارد. مثلاً در آب، پیوند اکسیژن با هیدروژن درون هر مولکول است، اما جاذبهٔ یک مولکول آب با همسایه‌اش بین‌مولکولی است.

در گاز، مولکول‌ها معمولاً از هم دورند و برهم‌کنش کمی دارند. در مایع، بیشتر کنار هم می‌مانند و در جامد مولکولی، جای آن‌ها محدودتر است. جنس مولکول هم مهم است: میزان قطبی بودن و جرم مولکول بر این جاذبه‌ها اثر دارند. پس برای توضیح حالت فیزیکی، فقط نگاه کردن به فرمول شیمیایی کافی نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۵

آب، فراتر از انتظار

آب و هیدروژن سولفید، با فرمول‌های H2O\mathrm{H_2O} و H2S\mathrm{H_2S}، هر دو مولکول‌هایی خمیده و قطبی دارند. با این حال، در فشار 1 atm1\,\mathrm{atm}، آب در 100∘C100^\circ\mathrm{C} می‌جوشد، ولی هیدروژن سولفید در −60∘C-60^\circ\mathrm{C}! این تفاوت با توجه به جرم مولی کمتر آب، چشمگیر است.

برای مقایسهٔ میزان قطبیت از کمیتی به نام گشتاور دوقطبی استفاده می‌کنیم؛ هرچه بزرگ‌تر باشد، مولکول قطبی‌تر است. مقدار آن برای آب 1.85 D1.85\,\mathrm{D} و برای هیدروژن سولفید 0.97 D0.97\,\mathrm{D} است. پس «قطبی بودن» فقط یک برچسب بله یا خیر نیست؛ شدت آن هم اهمیت دارد. جاذبهٔ زیاد میان مولکول‌های آب کمک می‌کند آب در دمای اتاق مایع بماند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۶

راز پیوند هیدروژنی

در مولکول آب، سمت هیدروژن‌ها بار جزئی مثبت و سمت اکسیژن بار جزئی منفی دارد. بنابراین هیدروژنِ یک مولکول به اکسیژنِ مولکول همسایه جذب می‌شود. این جاذبهٔ قوی بین‌مولکولی را پیوند هیدروژنی می‌نامیم؛ آن را با پیوند اشتراکی اکسیژن و هیدروژن درون مولکول اشتباه نگیر.

برای تشخیص امکان تشکیل این پیوند میان مولکول‌های یک ماده، بررسی کن که آیا هیدروژن مستقیماً با پیوند اشتراکی به F\mathrm{F}، O\mathrm{O} یا N\mathrm{N} وصل است. آب، هیدروژن فلوئورید و آمونیاک چنین ویژگی‌ای دارند. پس داشتن هیدروژن به‌تنهایی کافی نیست. در تقسیم‌بندی این درس، جاذبه‌های بین‌مولکولیِ غیر از پیوند هیدروژنی را نیروهای وان‌دروالس می‌نامیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۷

یک مولکول، سه آرایش

یک مولکول آب هنگام تبدیل شدن آب به یخ یا بخار، همچنان مولکول H2O\mathrm{H_2O} باقی می‌ماند. آنچه تغییر می‌کند، بیشتر آرایش و ارتباط مولکول‌ها با یکدیگر است، نه هویت شیمیایی آن‌ها.

در بخار، مولکول‌ها جدا از هم و آزادانه در حرکت‌اند؛ در مدل سادهٔ کتاب، گویی پیوند هیدروژنی میان آن‌ها وجود ندارد. در آب مایع، پیوند هیدروژنی برقرار است، اما مولکول‌ها می‌توانند روی هم بلغزند و جابه‌جا شوند. در یخ، مولکول‌ها جایگاه‌های نسبتاً ثابتی دارند و آرایششان منظم است. در این ساختار، هر اکسیژن به دو هیدروژن با پیوند اشتراکی و به دو هیدروژن دیگر با پیوند هیدروژنی متصل است. پس روان بودن آب به معنی نبودن جاذبه نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۸

چرا یخ روی آب می‌ماند؟

در یخ، مولکول‌های آب شبکه‌ای سه‌بعدی می‌سازند که حلقه‌های شش‌ضلعی دارد. نکتهٔ مهم، فضاهای خالی منظم این شبکه است؛ مولکول‌ها در یخ به فشردگی آب مایع کنار هم قرار نمی‌گیرند.

پس وقتی جرم معینی آب یخ می‌زند، حجم آن بیشتر می‌شود. با رابطهٔ ρ=mV\rho=\frac{m}{V} می‌بینیم که افزایش حجم در جرم ثابت، چگالی را کاهش می‌دهد. به همین دلیل یخ روی آب می‌ماند. همین افزایش حجم می‌تواند هنگام یخ زدن آبِ درون بافت کلم، به دیوارهٔ یاخته‌ها فشار وارد کند و آن‌ها را تخریب کند. بنابراین منظم‌تر شدن آرایش، لزوماً به معنی فشرده‌تر شدن آن نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۸

مثال حل‌شده

در فشار 1 atm1\,\mathrm{atm}، دمای جوش آب 100∘C100^\circ\mathrm{C} و هیدروژن سولفید −60∘C-60^\circ\mathrm{C} است. اختلاف دمای جوش را حساب کن و توضیح بده چرا آب با وجود جرم مولی کمتر، دمای جوش بیشتری دارد.

  1. داده‌ها را مشخص می‌کنیم: TH2O=100∘CT_{\mathrm{H_2O}}=100^\circ\mathrm{C} و TH2S=−60∘CT_{\mathrm{H_2S}}=-60^\circ\mathrm{C}.

  2. برای یافتن اختلاف، دمای کمتر را از دمای بیشتر کم می‌کنیم: ΔT=100−(−60)=160∘C\Delta T=100-(-60)=160^\circ\mathrm{C}.

  3. جوشیدن نیازمند جدا شدن مولکول‌ها از یکدیگر است؛ هرچه جاذبهٔ میان آن‌ها قوی‌تر باشد، این جدایی به دمای بیشتری نیاز دارد.

  4. آب قطبیت بیشتری دارد و میان مولکول‌هایش پیوند هیدروژنی برقرار می‌شود؛ بنابراین جرم مولی کمتر آن به‌تنهایی تعیین‌کنندهٔ دمای جوش نیست.

جواب: دمای جوش آب 160∘C160^\circ\mathrm{C} بیشتر است؛ جاذبهٔ قوی‌تر میان مولکول‌های آب، از جمله پیوند هیدروژنی، جدا کردن آن‌ها را دشوارتر می‌کند.

نکات مهم

  • پیوند هیدروژنی جاذبه‌ای قوی میان مولکول‌هاست و برای تشخیص آن در مواد این درس، اتصال مستقیم هیدروژن به فلوئور، اکسیژن یا نیتروژن را بررسی می‌کنیم.
  • در آب مایع پیوندهای هیدروژنی همراه با امکان جابه‌جایی مولکول‌ها وجود دارند، اما در یخ آرایش مولکول‌ها منظم و جایگاه آن‌ها نسبتاً ثابت است.
  • فضاهای خالی شبکهٔ یخ باعث افزایش حجم و کاهش چگالی آن نسبت به آب مایع می‌شوند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۶ · صفحهٔ ۱۰۹ تا ۱۱۰ · حدود ۱۱ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

آب و دیگر حلال‌ها

در این درس یاد می‌گیری محلول‌های آبی و غیرآبی را تشخیص بدهی، یکنواختی چند مخلوط را بررسی کنی و نقش حلال بودن آب را در بدن توضیح بدهی.

پیش از شروع

چرا استون با آب یک مخلوط یکنواخت می‌سازد، اما هگزان در همان آب به صورت لایه‌ای جدا می‌ماند؟ مگر هر سه مایع نیستند؟

مایع بودن دو ماده کافی نیست تا با هم محلول بسازند؛ نوع مواد هم اهمیت دارد. استون به هر نسبتی با آب مخلوط یکنواخت می‌سازد، اما حل شدن آب و هگزان در یکدیگر آن‌قدر ناچیز است که از آن چشم‌پوشی می‌کنیم.

آب، تنها حلال نیست

آب حلال بسیار رایجی است، چون بسیاری از ترکیب‌های یونی و مواد مولکولی را در خود حل می‌کند؛ اما «رایج‌ترین حلال» به معنی «حلال همهٔ مواد» نیست. برای تشخیص آبی یا غیرآبی بودن یک محلول، اول بپرس: حلال چیست؟ اگر حلال آب باشد، محلول آبی است. به محلولی که حلال آن آلی باشد، محلول غیرآبی می‌گوییم.

اتانول با فرمول C2H6O\mathrm{C_2H_6O} در تهیهٔ فراورده‌های دارویی و بهداشتی کاربرد دارد. استون با فرمول C3H6O\mathrm{C_3H_6O} حلال برخی چربی‌ها و لاک‌هاست و هگزان با فرمول C6H14\mathrm{C_6H_{14}} برای مواد ناقطبی به کار می‌رود. یک محلول می‌تواند چند حل‌شونده داشته باشد؛ آب دریا نمونه‌ای آشناست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۹

حل شدن و یکنواختی

همهٔ مواد به یک اندازه در آب حل نمی‌شوند. اتانول و استون به هر نسبتی در آب حل می‌شوند؛ یعنی با تغییر نسبت آنها به آب، از راه مخلوط کردن این مایع‌ها به محلول سیرشده نمی‌رسیم. پس نباید تصور کنیم هر حل‌شونده‌ای حتماً در آب به مرز سیرشدگی می‌رسد.

برای تشخیص یکنواختی، هم ترکیب شیمیایی و هم حالت فیزیکی را بررسی کن. آب و هگزان ترکیب یکنواختی در سراسر ظرف ندارند و دو لایه می‌سازند. در ظرف آب و یخ، فرمول ماده در هر دو بخش H2O\mathrm{H_2O} است، ولی حالت فیزیکی یکسان نیست: یکی مایع و دیگری جامد است. بنابراین یکسان بودن فرمول، به‌تنهایی نشانهٔ همگن بودن نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۰۹

حلالی در خدمت بدن

حلال بودن آب فقط موضوع آزمایشگاه نیست؛ بخش بزرگی از کارهای بدن در محیط محلول‌های آبی انجام می‌شود. بیش از نیمی از آب بدن درون یاخته‌هاست و باقی آن در مایع‌های برون‌سلولی قرار دارد. این مایع‌ها به جابه‌جایی مواد مغذی و مواد زائد میان یاخته‌ها و دستگاه گردش خون کمک می‌کنند.

آب را می‌توان به بستری برای حمل مواد تشبیه کرد: مواد در آن حل می‌شوند و همراه مایع جابه‌جا می‌شوند. بدن هر روز از راه ادرار، تعرق و بخار آب بازدم، آب از دست می‌دهد. غذاها، میوه‌ها و نوشیدنی‌ها در جبران این آب نقش دارند؛ بنابراین دریافت آب فقط به نوشیدن آب خالص محدود نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۰

هر جفت ماده، یک نتیجه

برای تصمیم گرفتن دربارهٔ تشکیل محلول، باید خودِ جفت مواد را بررسی کنیم. استون و آب محلول می‌سازند؛ اندکی ید هم در هگزان حل می‌شود. در مقابل، آب و هگزان مخلوطی ناهمگن می‌سازند. پس هگزان نه «حلال همه‌چیز» است و نه «ماده‌ای که چیزی را حل نمی‌کند»؛ نتیجه به مادهٔ همراه آن بستگی دارد.

نکتهٔ دقیق‌تر این است که در مخلوط آب و هگزان، حل شدن دو ماده در یکدیگر کاملاً صفر نیست، بلکه بسیار ناچیز و قابل چشم‌پوشی است. اگر ظرف را تکان بدهیم، ممکن است موقتاً قطره‌های ریز در آن پخش شوند؛ برای تشخیص محلول بودن، صرفاً به ظاهر مخلوط هنگام تکان دادن تکیه نمی‌کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۰

نکات مهم

  • محلول آبی حلالش آب است، اما در محلول غیرآبیِ معرفی‌شده در این درس، حلال یک مادهٔ آلی است.
  • تشکیل محلول به جفت مواد بستگی دارد و برای بررسی یکنواختی باید ترکیب شیمیایی و حالت فیزیکی را در نظر گرفت.
  • آب با حل کردن مواد، به انتقال مواد مغذی و دفع مواد زائد بدن کمک می‌کند.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۷ · صفحهٔ ۱۱۰ تا ۱۱۵ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

کدام مواد با یکدیگر محلول می‌سازند؟

در این درس یاد می‌گیری تشکیل محلول را با جاذبهٔ ذره‌ها توضیح بدهی، انحلال مولکولی و یونی را تشخیص بدهی و اثر دما و فشار را بر انحلال‌پذیری گازها پیش‌بینی کنی.

پیش از شروع

ماهی در آب نفس می‌کشد؛ آیا اکسیژن موردنیازش را از شکستن مولکول‌های آب می‌گیرد یا از چیزی که در آب حل شده است؟

ماهی با آبشش، مولکول‌های اکسیژنِ حل‌شده در آب را جذب می‌کند؛ مولکول‌های آب را نمی‌شکند. پس حتی گازها هم می‌توانند حل‌شونده باشند، اما مقدار حل شدنشان به شرایط بستگی دارد.

چه موادی با هم محلول می‌سازند؟

برای پیش‌بینی تشکیل محلول، به جاذبهٔ میان ذره‌ها نگاه کن. آب و استون قطبی‌اند؛ یُد و هگزان ناقطبی‌اند. به همین دلیل، استون در آب و مقدار کمی یُد در هگزان حل می‌شود، اما آب و هگزان مخلوطی ناهمگن می‌سازند. عبارت «شبیه، شبیه را حل می‌کند» یک راهنمای مفید است، نه اینکه هر دو مادهٔ شبیه در هر مقداری با هم محلول بسازند.

در الگوی سادهٔ کتاب، جاذبهٔ حلال و حل‌شونده در محلول از میانگین جاذبه‌های آن‌ها در حالت خالص بیشتر است. مثلاً میان آب و اتانول پیوند هیدروژنی برقرار می‌شود. اتانول هنگام حل شدن به یون تبدیل نمی‌شود؛ مولکول‌هایش هویت خود را حفظ می‌کنند. این نوع حل شدن را انحلال مولکولی می‌نامیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۰

نمک چگونه در آب حل می‌شود؟

وقتی نمک خوراکی در آب ناپدید می‌شود، ذره‌هایش از بین نرفته‌اند! سدیم کلرید از یون‌های مثبت و منفی در یک شبکهٔ منظم ساخته شده است. مولکول‌های قطبی آب به یون‌های سطح بلور نزدیک می‌شوند: سمت اکسیژنِ آب، با بار جزئی منفی، رو به یون Na+\mathrm{Na^+} قرار می‌گیرد؛ سمت هیدروژن‌ها، با بار جزئی مثبت، رو به یون Cl−\mathrm{Cl^-} است.

جاذبهٔ یون ـ دوقطبی به جدا شدن یون‌ها از شبکه کمک می‌کند. مولکول‌های آب دور یون‌ها قرار می‌گیرند و یون‌های آب‌پوشیده در محلول پخش می‌شوند. نمادهای Na+(aq)\mathrm{Na^+(aq)} و Cl−(aq)\mathrm{Cl^-(aq)} همین وضعیت را نشان می‌دهند. این انحلال یونی است؛ یون‌ها از پیش در بلور وجود داشته‌اند و آب آن‌ها را از یکدیگر جدا کرده است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۲

گازها و اثر دما

آبِ زلال می‌تواند گاز حل‌شده داشته باشد، بی‌آنکه حبابی ببینی. ماهی‌ها اکسیژن مولکولی O2\mathrm{O_2} حل‌شده را با آبشش جذب می‌کنند. بنابراین کم بودن انحلال‌پذیری یک گاز، به معنی بی‌اهمیت بودن آن نیست.

در فشار یکسان، با افزایش دما، انحلال‌پذیری گازها در آب معمولاً کاهش می‌یابد. برای همین گرم شدن آب می‌تواند اکسیژن در دسترس ماهی‌ها را کمتر کند.

در کاوش کتاب، قرص جوشان گاز کربن دی‌اکسید، CO2\mathrm{CO_2}، آزاد می‌کند. با مقدار یکسان قرص، بخشی از گاز در آب می‌ماند و بخشی جمع‌آوری می‌شود. در آب سرد سهم بیشتری حل می‌شود. برای مقایسهٔ معتبر باید مقدار قرص و آب یکسان باشد، واکنش کامل شود و حجم گازها در شرایط دما و فشار یکسان مقایسه شود؛ صرفاً شمردن حباب‌ها کافی نیست.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۳

فشار و قانون هنری

دما تنها عامل نیست؛ فشار گاز بر سطح آب هم اهمیت دارد. طبق قانون هنری، در دمای ثابت، انحلال‌پذیری گازی که با آب واکنش نمی‌دهد با فشار آن رابطهٔ مستقیم دارد. یعنی اگر فشار دو برابر شود، انحلال‌پذیری هم دو برابر می‌شود.

پس نمودار انحلال‌پذیری برحسب فشار برای یک گاز، در دمای ثابت، خطی است. اگر خط یک گاز شیب بیشتری داشته باشد، در فشار یکسان انحلال‌پذیری بیشتری دارد؛ نمی‌توان فقط با برابر بودن فشار، مقدار حل شدن گازهای متفاوت را برابر دانست.

این موضوع در غواصی مهم است: در فشار زیاد، نیتروژن بیشتری در خون حل می‌شود. بالا آمدن سریع و افت فشار می‌تواند باعث خروج گاز و تشکیل حباب‌های خطرناک شود.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۵

مثال حل‌شده

در یک مثال فرضی، انحلال‌پذیری گازی که با آب واکنش نمی‌دهد در دمای 20∘C20^\circ\mathrm{C} و فشار 1 atm1\,\mathrm{atm} برابر 0.020 g/L0.020\,\mathrm{g/L} است. اگر در همان دما فشار گاز به 3 atm3\,\mathrm{atm} برسد، انحلال‌پذیری چقدر می‌شود؟

  1. شرایط کاربرد قانون هنری را بررسی می‌کنیم: دما ثابت است و گاز با آب واکنش نمی‌دهد.

  2. نسبت فشار جدید به فشار اولیه را به دست می‌آوریم: P2P1=31=3\frac{P_2}{P_1}=\frac{3}{1}=3.

  3. چون انحلال‌پذیری با فشار رابطهٔ مستقیم دارد، مقدار جدید سه برابر مقدار اولیه است: S2=S1×P2P1S_2=S_1\times\frac{P_2}{P_1}.

  4. جای‌گذاری می‌کنیم: S2=0.020×3=0.060 g/LS_2=0.020\times3=0.060\,\mathrm{g/L}. این پاسخ مقدار گاز حل‌شدنی در هر لیتر آب در شرایط جدید است.

جواب: انحلال‌پذیری گاز در فشار جدید برابر 0.060 g/L0.060\,\mathrm{g/L} است.

نکات مهم

  • شباهت قطبی بودن حلال و حل‌شونده راهنمای تشکیل محلول است و در انحلال مولکولی، مولکول‌های حل‌شونده هویت خود را حفظ می‌کنند.
  • در انحلال سدیم کلرید، جاذبهٔ یون ـ دوقطبی به جدایی یون‌ها از شبکه و آب‌پوشیده شدن آن‌ها کمک می‌کند.
  • انحلال‌پذیری گازها معمولاً با افزایش دما کاهش می‌یابد و در دمای ثابت، برای گازهای واکنش‌نداده با آب، با فشار رابطهٔ مستقیم دارد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۸ · صفحهٔ ۱۱۵ تا ۱۱۷ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

پیوند با زندگی

در این درس یاد می‌گیری نقش آب و یون‌ها را در بدن توضیح دهی، ردپای آب را بشناسی و محاسبه کنی و جهت حرکت آب را در پدیدهٔ اسمز تشخیص دهی.

پیش از شروع

چطور ممکن است خریدن یک بلوز نخی، بدون اینکه شیر آب خانه را باز کنی، ردپای آب تو را بیشتر کند؟

برای پرورش پنبه و تولید پارچه و لباس، آب مصرف می‌شود؛ این آب هنگام خرید دیده نمی‌شود، اما بخشی از ردپای آب توست. آب هم در تولید وسایل زندگی نقش دارد و هم درون بدن، جایی که محیط لازم برای فعالیت یون‌ها را فراهم می‌کند.

آب بدن، تنها نیست

بعد از یک فعالیت سنگین، فقط مقدار آب بدن مهم نیست؛ ترکیب مواد حل‌شده در آن هم اهمیت دارد. مایع‌های بدن محلول‌هایی هستند که یون‌هایی مانند Na+\mathrm{Na^+}، K+\mathrm{K^+} و Cl−\mathrm{Cl^-} در آن‌ها حضور دارند. این ذره‌های باردار به فراهم‌شدن شرایط مناسب برای پیام‌رسانی عصبی و کنترل حرکت کمک می‌کنند.

هنگام فعالیت شدید و تعریق، بدن مقداری آب و یون از دست می‌دهد. به همین دلیل، نوشیدنی ویژهٔ ورزشکاران فقط برای برطرف‌کردن تشنگی نیست؛ می‌تواند به جبران یون‌های ازدست‌رفته هم کمک کند. پس در بررسی نیاز بدن، باید هم به آب توجه کنیم و هم به مواد حل‌شده در آن.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۵

پتاسیم و پیام‌های عصبی

یکی از یون‌های مهم مایع‌های بدن، پتاسیم با نماد K+\mathrm{K^+} است. بدن یک فرد بالغ در روز به پتاسیم بیشتری نسبت به سدیم نیاز دارد؛ مقدار موردنیاز پتاسیم حدود دو برابر سدیم است. بسیاری از خوراکی‌ها پتاسیم دارند و به همین علت کمبود آن چندان رایج نیست.

اما فراوان‌بودن یک ماده در غذاها، به معنی کم‌اهمیت‌بودن آن نیست! عملکرد درست دستگاه عصبی به حضور و جابه‌جایی مناسب پتاسیم وابسته است. اگر مسیر حرکت این یون مختل شود، پیام‌رسانی عصبی آسیب می‌بیند. نمونهٔ زهر برخی مارها در کتاب یادآوری می‌کند که بسته‌شدن کانال‌های پتاسیم می‌تواند پیامد بسیار شدیدی داشته باشد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۶

آب پنهان در کالاها

وقتی مصرف آب روزانه‌ات را حساب می‌کنی، احتمالاً نوشیدن، حمام و شستن ظرف‌ها را به یاد می‌آوری. کتاب مصرف مستقیم روزانهٔ هر فرد را حدود 350 L350\,\mathrm{L} بیان می‌کند؛ اما داستان آب همین‌جا تمام نمی‌شود. برای تولید غذا، پوشاک و دیگر کالاها نیز آب لازم است و کشاورزی سهم بزرگی از این مصرف دارد.

«ردپای آب» نگاه گسترده‌تری دارد: آب مصرف‌شده برای کالاها، خدمات و فعالیت‌های زندگی را هم در نظر می‌گیرد. مثلاً تولید یک بلوز نخی در داده‌های کتاب به حدود 2700 L2700\,\mathrm{L} آب نیاز دارد. این آب داخل بلوز جمع نشده است؛ در مسیر تولید آن مصرف شده است. بنابراین پرهیز از خرید غیرضروری و هدرندادن غذا هم به حفظ آب کمک می‌کند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۶

هر آبی برای هر کاری نیست

آب مصرفی خانه، مزرعه، کارخانه و مدرسه می‌تواند از منابع سطحی یا زیرزمینی تأمین شود. هرچه ردپای آب بیشتر باشد، برداشت از منابع آب قابل استفاده هم بیشتر می‌شود. پس بزرگی دریاها نباید ما را به این نتیجه برساند که آب مناسب همهٔ مصرف‌ها فراوان و آماده است.

کیفیت لازم آب به کاربرد آن بستگی دارد. آبی که برای شستن یک سطح مناسب است، لزوماً برای نوشیدن ایمن نیست. آب دریا نیز به علت شوری، پیش از استفادهٔ موردنظر به نمک‌زدایی و تصفیه نیاز دارد. بنابراین هنگام حرف‌زدن از منابع آب، فقط «مقدار آب» را نبین؛ «قابل استفاده بودن برای آن کاربرد» هم مهم است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۷

اسمز؛ جهت حرکت آب

اگر مویز را مدتی در آب بگذاری، آب جذب می‌کند و متورم می‌شود؛ اما خیار در آب شور ممکن است آب از دست بدهد و چروک شود. برای فهم این تفاوت، باید دو سوی غشای نیمه‌تراوا را مقایسه کنیم. چنین غشایی انتخابی عمل می‌کند: آب می‌تواند از آن بگذرد، اما همهٔ ذره‌ها امکان عبور یکسانی ندارند.

در اسمز، جابه‌جایی خالص آب از محیط رقیق‌تر به محیط غلیظ‌تر است. منظور از غلیظ‌تر، داشتن مواد حل‌شدهٔ بیشتر است. در مویزِ داخل آب، ورود آب باعث تورم می‌شود. در خیارِ داخل آب شورِ غلیظ‌تر از مایع درون یاخته، خروج آب به چروکیدگی می‌انجامد. پس جهت حرکت آب را از روی نام ماده حدس نزن؛ غلظت دو طرف را مقایسه کن.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۷

مثال حل‌شده

طبق دادهٔ کتاب، تولید هر 1 kg1\,\mathrm{kg} گندم به‌طور میانگین 1830 L1830\,\mathrm{L} آب نیاز دارد. اگر فردی در یک سال 120 kg120\,\mathrm{kg} گندم مصرف کند، ردپای آب مربوط به تولید این مقدار گندم چقدر است؟

  1. داده‌ها را مشخص می‌کنیم: جرم گندم 120 kg120\,\mathrm{kg} و آب لازم به ازای جرم گندم 1830 L/kg1830\,\mathrm{L/kg} است.

  2. چون برای هر کیلوگرم همین مقدار آب در نظر گرفته شده، جرم مصرفی را در آب لازم به ازای واحد جرم ضرب می‌کنیم.

  3. محاسبه می‌کنیم: 120 kg×1830 L/kg=219600 L120\,\mathrm{kg}\times1830\,\mathrm{L/kg}=219600\,\mathrm{L}.

  4. واحد جرم حذف می‌شود و واحد حجم آب باقی می‌ماند؛ پس حاصل، آب مصرف‌شده در تولید گندم است، نه حجم آب نوشیده‌شدهٔ فرد.

جواب: ردپای آب تولید گندم مصرفی این فرد برابر با 219600 L219600\,\mathrm{L} در سال است؛ این فقط سهم گندم است، نه کل ردپای آب او.

نکات مهم

  • مایع‌های بدن محیطی آبی با یون‌های ضروری‌اند و حضور و حرکت مناسب پتاسیم برای پیام‌رسانی عصبی اهمیت دارد.
  • ردپای آب، علاوه بر مصرف مستقیم، آب مصرف‌شده برای تولید کالاها و ارائهٔ خدمات را نیز در بر می‌گیرد.
  • در اسمز، آب از میان غشای نیمه‌تراوا به‌طور خالص از محیط رقیق‌تر به محیط غلیظ‌تر می‌رود.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۹ · صفحهٔ ۱۱۷ تا ۱۲۰ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

پیوند با زندگی

در این درس یاد می‌گیری اسمز و روش‌های شیرین‌سازی آب را توضیح بدهی، دربارهٔ ایمنی آب درست داوری کنی و غلظت اکسیژن محلول را برای بررسی امکان زندگی ماهی‌ها به کار ببری.

پیش از شروع

چرا مویز در آب پُف می‌کند، اما خیار در آب شور چروکیده می‌شود؟ آیا آب می‌تواند بدون پمپ، جهت حرکتش را «انتخاب» کند؟

در هر دو حالت، آب از میان یک مانع انتخاب‌گر جابه‌جا می‌شود؛ جهت خالص حرکت آن به غلظت دو طرف بستگی دارد. همین پدیده، یعنی اسمز، به ما کمک می‌کند سازوکار یکی از روش‌های شیرین‌سازی آب دریا را بفهمیم.

اسمز؛ آب به کدام سو می‌رود؟

غشای نیمه‌تراوا را مثل یک درِ انتخاب‌گر تصور کن: بعضی ذره‌ها می‌توانند از آن بگذرند و بعضی نمی‌توانند. اینکه چه ذره‌هایی عبور کنند، به ویژگی غشا بستگی دارد؛ پس هر غشایی لزوماً جلوی همهٔ یون‌ها را نمی‌گیرد.

در پدیدهٔ اسمز، آب به‌طور خودبه‌خودی از محیط رقیق‌تر به محیط غلیظ‌تر، از میان غشای مناسب، جابه‌جا می‌شود. منظور از غلیظ‌تر، داشتن حل‌شوندهٔ بیشتر نسبت به مقدار محلول است، نه داشتن آب بیشتر.

در مویزِ داخل آب، ورود خالص آب باعث تورم می‌شود. برای خیار در آب شور، محیط بیرون غلیظ‌تر است؛ آب از بافت خیار بیرون می‌رود و خیار چروکیده می‌شود. پس برای پیش‌بینی، اول غلظت دو طرف را مقایسه کن.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۷

برعکس کردن اسمز

دو طرف یک غشا را در نظر بگیر: یک طرف آب مقطر و طرف دیگر آب دریا. این بار فرض می‌کنیم غشا آب را عبور می‌دهد، اما جلوی یون‌های نمک را می‌گیرد. در آغاز، آب به‌طور خالص به سمت آب دریا می‌رود و سطح مایع در آن سمت بالا می‌آید؛ بنابراین اسمز معمولی، آب شیرینِ جداگانه تولید نمی‌کند.

حالا اگر به سمت آب شور فشار کافی وارد کنیم، می‌توانیم جهت حرکت خالص آب را برعکس کنیم. آب از سمت شور از غشا می‌گذرد، اما بیشتر نمک‌ها پشت آن می‌مانند. این روش اسمز معکوس نام دارد.

پمپ دستگاه انرژی لازم را فراهم می‌کند. دستگاه دو خروجی دارد: آب شیرین‌تر و محلولی که از آب ورودی شورتر شده است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۸

از بخار تا آب شیرین

روش دیگر شیرین‌سازی، تقطیر است: آب را تبخیر می‌کنیم و سپس بخار را با سرد کردن، دوباره به مایع تبدیل می‌کنیم. نمک‌های محلولِ غیرفرّار همراه بخار آب بالا نمی‌روند و در ظرف اولیه باقی می‌مانند.

در آب‌شیرین‌کن خورشیدی، خورشید انرژی تبخیر را می‌دهد. بخار روی پوشش خنک‌تر میعان می‌کند و قطره‌ها به محل جمع‌آوری آب شیرین می‌روند. پس ترتیب اصلی، «تبخیر، سپس میعان» است.

روش مناسب به نوع آلاینده هم بستگی دارد. صافی کربن می‌تواند برخی مواد آلی و عوامل بو و مزه را جذب کند، اما جای روش نمک‌زدایی را نمی‌گیرد. تقطیر هم نباید به معنی حذف قطعی هر آلاینده‌ای تلقی شود؛ بعضی مواد فرّار ممکن است همراه بخار منتقل شوند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۹

آب شفاف، الزاماً آب سالم نیست

آب مناسب شست‌وشو لزوماً آشامیدنی نیست. حتی پس از کم شدن نمک‌ها و برخی آلاینده‌ها، باید ایمنی میکروبی آب هم بررسی شود. به همین دلیل، گندزدایی مناسب، مانند کلرزنی، بخشی مهم از آماده‌سازی آب برای مصرف است؛ شفاف بودن آب به‌تنهایی کافی نیست.

کتاب دربارهٔ یک نمایش تبلیغاتی هم هشدار می‌دهد: تیغه‌های فلزی را در آب می‌گذارند و جریان برق برقرار می‌کنند؛ سپس آب تغییر رنگ می‌دهد. در این فرایند، خودِ تیغه‌ها می‌توانند یون‌هایی وارد آب کنند و در تغییر رنگ نقش داشته باشند.

پس رنگ ایجادشده، اندازه‌گیری معتبر مقدار یون‌های اولیهٔ آب نیست. برای داوری دربارهٔ کیفیت آب، باید روش آزمایش و منشأ تغییر مشاهده‌شده را بشناسیم، نه اینکه فقط به ظاهر آن تکیه کنیم.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۱۹

غلظت؛ مقدار نسبت به مقدار

برای مقایسهٔ محلول‌ها، مقدار حل‌شونده به‌تنهایی کافی نیست؛ باید آن را نسبت به مقدار محلول بسنجیم. مثلاً مقدار یکسانی نمک در آب کمتر، محلول غلیظ‌تری می‌سازد.

در غلظت مولی، مقدار حل‌شونده برحسب مول را بر حجم محلول برحسب لیتر تقسیم می‌کنیم: c=nVc=\frac{n}{V}. بنابراین با افزودن آب، اگر حل‌شونده کم‌وزیاد نشود، غلظت کاهش می‌یابد.

برای مقدارهای بسیار کم، مانند اکسیژن محلول در آب، از قسمت در میلیون یا ppm\mathrm{ppm} استفاده می‌کنیم. در بیان جرمی، ppm=mحل‌شوندهmمحلول×106\mathrm{ppm}=\frac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times10^6 است، به شرط آنکه دو جرم هم‌واحد باشند. راه سریع و معادل این است: جرم حل‌شونده برحسب mg\mathrm{mg} را بر جرم محلول برحسب kg\mathrm{kg} تقسیم کن.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۰

مثال حل‌شده

نمونه‌ای از آب با جرم 9 kg9\,\mathrm{kg}، دارای 67.5 mg67.5\,\mathrm{mg} اکسیژن محلول است. اگر ادامهٔ زندگی اغلب ماهی‌ها به غلظت اکسیژن بیشتر از 5 ppm5\,\mathrm{ppm} نیاز داشته باشد، آیا این نمونه از نظر اکسیژن مناسب است؟

  1. داده‌ها را مشخص می‌کنیم: جرم اکسیژن 67.5 mg67.5\,\mathrm{mg} و جرم نمونهٔ آب 9 kg9\,\mathrm{kg} است.

  2. برای این واحدها از رابطهٔ مستقیم استفاده می‌کنیم: غلظت برحسب ppm=جرم حل‌شونده برحسب mgجرم محلول برحسب kg\text{غلظت برحسب ppm}=\frac{\text{جرم حل‌شونده برحسب mg}}{\text{جرم محلول برحسب kg}}.

  3. جای‌گذاری می‌کنیم: غلظت=67.59=7.5 ppm\text{غلظت}=\frac{67.5}{9}=7.5\,\mathrm{ppm}. در این روش دیگر نباید دوباره در 10610^6 ضرب کنیم، چون تبدیل واحدها در نسبت mg/kg\mathrm{mg/kg} لحاظ شده است.

  4. نتیجه را با حد داده‌شده می‌سنجیم: 7.5>57.5>5. بنابراین شرط اکسیژن برقرار است؛ البته این نتیجه به‌تنهایی سالم بودن آب از همهٔ نظرها را ثابت نمی‌کند.

جواب: غلظت اکسیژن برابر 7.5 ppm7.5\,\mathrm{ppm} است؛ چون از 5 ppm5\,\mathrm{ppm} بیشتر است، این نمونه از نظر شرط اکسیژنِ گفته‌شده برای ادامهٔ زندگی اغلب ماهی‌ها مناسب است.

نکات مهم

  • در اسمز، آب به‌طور خالص از محیط رقیق‌تر به غلیظ‌تر می‌رود؛ در اسمز معکوس، فشار کافی جهت این حرکت را وارونه می‌کند.
  • تقطیر بر تبخیر و میعان تکیه دارد و نمک‌زدایی به‌تنهایی جای گندزدایی و بررسی ایمنی آب را نمی‌گیرد.
  • غلظت یک نسبت است و برای محاسبهٔ غلظت جرمی برحسب ppm\mathrm{ppm} می‌توان جرم حل‌شونده برحسب mg\mathrm{mg} را بر جرم محلول برحسب kg\mathrm{kg} تقسیم کرد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

درس ۱۰ · صفحهٔ ۱۲۰ تا ۱۲۶ · حدود ۱۵ دقیقه · تولید هوش مصنوعی

تمرین‌های دوره‌ای

در این درس یاد می‌گیری با انتخاب رابطهٔ مناسب غلظت و توجه به قطبیت، دما و انحلال‌پذیری، تمرین‌های دوره‌ای محلول‌ها را تحلیل کنی.

پیش از شروع

آیا آب زلالی که هیچ آلودگی آشکاری ندارد، حتماً برای زندگی ماهی‌ها مناسب است؟

نه لزوماً؛ مقدار اکسیژن حل‌شده هم تعیین‌کننده است. در معیار این تمرین، بیشتر ماهی‌ها به غلظت اکسیژن بیشتر از 5 ppm5\,\mathrm{ppm} نیاز دارند؛ پس گاهی برای قضاوت دربارهٔ آب، باید به‌جای ظاهر آن، غلظت را بررسی کنیم.

غلظت؛ نسبت، نه فقط مقدار

برای مقایسهٔ محلول‌ها، فقط تعداد ذره‌های حل‌شونده کافی نیست؛ حجم محلول هم مهم است. شربتی که در لیوان کوچک‌تر همان مقدار شکر را دارد، غلیظ‌تر است. غلظت مولی را از رابطهٔ c=nVc=\frac{n}{V} به دست می‌آوریم؛ nn مقدار حل‌شونده برحسب مول و VV حجم محلول برحسب لیتر است.

در شکل‌های تمرین، هر ذره نمایندهٔ 0.02 mol0.02\,\mathrm{mol} است؛ پس اول ذره‌ها را می‌شماریم و سپس مقدار مول را بر حجم تقسیم می‌کنیم. بدون شمار دقیق ذره‌های شکل، نمی‌توان شمارهٔ غلیظ‌ترین محلول را تعیین کرد.

برای مخلوط‌کردن دو محلولِ یک حل‌شونده، اگر واکنشی رخ ندهد و حجم‌ها جمع‌پذیر باشند، داریم: c=n1+n2V1+V2c=\frac{n_1+n_2}{V_1+V_2}. در افزودن آب، مقدار حل‌شونده ثابت است؛ اما افزودن حل‌شونده با فرض ثابت‌بودن حجم، غلظت را افزایش می‌دهد.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۰

ردّ مقدارهای بسیار کم

وقتی مقدار حل‌شونده بسیار کم است، بیان غلظت با قسمت در میلیون مناسب‌تر می‌شود. برای غلظت جرمی داریم: ppm=mحل‌شوندهmمحلول×106\mathrm{ppm}=\frac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times10^6. در این رابطه، دو جرم باید هم‌واحد باشند. راه میان‌بُر مفید این است که نسبت جرم حل‌شونده برحسب میلی‌گرم به جرم محلول برحسب کیلوگرم، مستقیماً مقدار عددی غلظت را برحسب ppm\mathrm{ppm} می‌دهد.

در مسئلهٔ ماهی‌ها، ابتدا غلظت اکسیژن را حساب می‌کنیم و بعد آن را با حد لازم می‌سنجیم؛ صرف وجود اکسیژن کافی نیست. در مسئلهٔ کوسه هم همین روش کاربرد دارد، با این تفاوت که اول باید حجم آب دریا را با استفاده از جرم داده‌شده برای هر لیتر، به جرم تبدیل کنیم. برای محلول‌های بسیار رقیق این تمرین‌ها، جرم آب تقریب خوبی از جرم محلول است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۰

از قطبیت تا حل‌شدن

در تمرین نموداری، جرم مولی سه ماده برابر است؛ بنابراین می‌توان نقش قطبی‌بودن و جاذبه‌های بین‌مولکولی را بهتر مقایسه کرد. گشتاور دوقطبی بزرگ‌تر نشانهٔ قطبی‌بودن بیشتر است. پس از میان مواد داده‌شده، مولکول‌های CC در میدان الکتریکی جهت‌گیری محسوس‌تری دارند.

برای مقایسهٔ قدرت نیروهای بین‌مولکولی، به ارتفاع نقطه‌ها در نمودار هم نگاه کن: در این مقایسه، نقطهٔ جوش بالاتر نشان می‌دهد جداکردن مولکول‌ها انرژی بیشتری می‌خواهد. ترتیب را باید از داده‌های نقطهٔ جوش بخوانی، نه صرفاً از نام مواد.

برای پیش‌بینی حل‌شدن، شباهت قطبیت حلال و حل‌شونده راهنماست. هگزان ناقطبی است؛ بنابراین از میان این سه ماده، AA با گشتاور دوقطبی بسیار کوچک، گزینهٔ مناسب‌تری برای حل‌شدن در هگزان است. این همان دلیلی است که آب و روغن به‌آسانی مخلوط یکنواخت نمی‌سازند.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۰

دما، نمک و مرز انحلال

برای خواندن نمودار انحلال‌پذیری اکسیژن، ابتدا دمای خواسته‌شده را روی محور افقی پیدا کن، تا منحنی آب موردنظر بالا برو و سپس مقدار را از محور عمودی بخوان. به یکای محور دقت کن: این نمودار مقدار اکسیژن را در صد گرم آب نشان می‌دهد، نه در یک لیتر. بدون تصویر عددی نمودار، نباید برای یک دما عدد حدس بزنیم.

روند نمودار می‌گوید با گرم‌ترشدن آب، اکسیژن کمتری در آن حل می‌شود. همچنین در دمای یکسان، آب دریا اکسیژن کمتری از آب آشامیدنی در خود نگه می‌دارد؛ نمک بیشتر، انحلال‌پذیری اکسیژن را کاهش می‌دهد.

آزمایش‌های بعدی تفاوت دیگری را نشان می‌دهند: شکر تا حدی حل می‌شود و سپس مقداری جامد باقی می‌ماند؛ روغن لایهٔ جدا می‌سازد، اما اتانول با آب مخلوط یکنواخت تشکیل می‌دهد. جرم شکر حل‌شده از کم‌کردن جرم باقی‌مانده از جرم کل افزوده‌شده به دست می‌آید.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۱

از انحلال‌پذیری تا درصد جرمی

در تصویرهای کاربرد، کلسیم سولفات با گچ‌گرفتن دست ارتباط دارد و آمونیوم نیترات به‌عنوان کود شیمیایی به کار می‌رود. هر دو یونی‌اند، اما این شباهت به معنی انحلال‌پذیری برابر نیست؛ داده‌های تمرین نشان می‌دهند آمونیوم نیترات در دمای داده‌شده بسیار بیشتر حل می‌شود.

برای تبدیل انحلال‌پذیری به درصد جرمی، باید حواست به جرم کل محلول باشد. اگر انحلال‌پذیری ماده‌ای برابر ss گرم در 100 g100\,\mathrm{g} آب باشد، جرم محلول سیرشده 100+s100+s گرم است؛ پس درصد جرمی آن از رابطهٔ s100+s×100\frac{s}{100+s}\times100 به دست می‌آید.

برای هر نمک، مقدار انحلال‌پذیری خودش را جای ss می‌گذاریم. اشتباه مهم این است که جرم آب را به‌جای جرم محلول در مخرج بنویسیم. نمک حل‌شده ناپدید نشده است؛ جرمش همچنان بخشی از جرم محلول است.

کتاب درسی، صفحهٔ ۱۲۲

مثال حل‌شده

در 9 kg9\,\mathrm{kg} آب، مقدار 67.5 mg67.5\,\mathrm{mg} اکسیژن حل شده است. اگر حد لازم برای ادامهٔ زندگی اغلب ماهی‌ها بیشتر از 5 ppm5\,\mathrm{ppm} باشد، آیا این آب از نظر اکسیژن مناسب است؟

  1. داده‌ها را جدا می‌کنیم: جرم اکسیژن 67.5 mg67.5\,\mathrm{mg} و جرم آب 9 kg9\,\mathrm{kg} است. چون محلول بسیار رقیق است، جرم محلول را تقریباً برابر جرم آب می‌گیریم.

  2. رابطهٔ مناسب را انتخاب می‌کنیم: نسبت جرم حل‌شونده برحسب میلی‌گرم به جرم محلول برحسب کیلوگرم، مقدار عددی غلظت برحسب ppm\mathrm{ppm} را می‌دهد.

  3. جای‌گذاری می‌کنیم: 67.5 mg9 kg=7.5 mg/kg=7.5 ppm\frac{67.5\,\mathrm{mg}}{9\,\mathrm{kg}}=7.5\,\mathrm{mg/kg}=7.5\,\mathrm{ppm}.

  4. با معیار مسئله مقایسه می‌کنیم: 7.5>57.5>5. پس اکسیژن محلول از حد لازم بیشتر است؛ این نتیجه فقط دربارهٔ معیار اکسیژن است، نه همهٔ شرایط لازم برای زندگی ماهی.

جواب: غلظت اکسیژن 7.5 ppm7.5\,\mathrm{ppm} است؛ بنابراین این آب از نظر معیار اکسیژن داده‌شده در تمرین، برای ادامهٔ زندگی اغلب ماهی‌ها مناسب است.

نکات مهم

  • در غلظت مولی، حجم کل محلول و در درصد جرمی و قسمت در میلیون، جرم کل محلول مبنای محاسبه است.
  • گشتاور دوقطبی به تشخیص قطبیت و نقطهٔ جوش به مقایسهٔ قدرت جاذبه‌های بین‌مولکولی کمک می‌کند.
  • انحلال‌پذیری به نوع ماده و شرایط بستگی دارد و برای اکسیژن در آب، با افزایش دما و مقدار نمک کاهش می‌یابد.

تمرین تعاملی این درس (رایگان)تمرین تعاملی این درس

حالا خودت را بسنج: نمونه سوال این فصل با جواب (فصل ۳ شیمی دهم)

درس‌های فصل ۳ را تعاملی بخوان

در پنل یادگیری 1xAi هر کدام از این درس‌ها قدم به قدم پیش می‌رود: بعد از هر بخش یک سوال کوتاه، بعد مثال حل‌شده و در پایان برگهٔ خروج. جوابت ثبت می‌شود و سوال‌های هر درس در روزهای بعد برای مرور برمی‌گردند. درس‌های تعاملی رایگان‌اند؛ فقط تصحیح پاسخ کوتاه سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.

فصل ۳ شیمی دهم · رایگان