تمثل الذوبانية أحد أهم المفاهيم في عالم الكيمياء والتي تلعب دورًا بارزًا في فهم تفاعلات المواد وسلوكها في الأوساط السائلة. في هذا المقال، سنستكشف تعريف الذوبانية وثابت حاصل الإذابة، ونلقي الضوء على العوامل المتعددة المؤثرة على هذه العملية الكيميائية المهمة.
سنتناول أيضًا بعض المسائل المثيرة المحلولة في مجال الذوبانية، والتي تظهر كيفية تطبيق هذه المفاهيم في العالم الحقيقي. ستوفر هذه المقالة نظرة شاملة على الذوبانية، بدءًا من تعريفها وانتهاءً بتطبيقاتها العملية.
تعريف الذوبانية
الذوبانية (Solubility) هي الكمية القصوى للمادة المذابة التي يمكن أن تذوب في كمية معروفة من المذيب عند درجة حرارة محددة.
لنفترض أن لديك ملح وأنت تحاول أن تذوبه في كوب من الماء. أو قم بإضافة السكر في الماء بالتدريج مع التحريك للذوبان. تلاحظ في البداية أن السكر يذوب ولكن بعد ذوبان كمية محددة فإن إضافة أي كمية أخرى ستستقر في قاع الكوب. الكمية التي ذابت في الماء هي ذوبانية السكر.
يعتمد قابلية الذوبان للمواد الأيونية على:
- الفرق في مقدار الطاقة اللازمة لكسر الروابط بين الأيونات المكونة للمادة المذابة.
- مقدار الطاقة الناتجة نتيجة لانتشار الأيونات في المذيب.
وتؤثر في الذوبانية عوامل مثل نوع المذيب والمادة المذابة ودرجة الحرارة والضغط.
\[S = \sqrt{K_{sp}}\]معادلة ثابت ذوبانية المنتج لها نفس الشكل العام كمعادلات الثوابت التوازنية الأخرى. يُطلق على Ksp اسم ثابت ذوبانية المنتج (ثابت حاصل الإذابة). المعادلة السابقة (الجذر التربيعي) تنطبق على الأملاح الأحادية التكافؤ (أحادي-أحادي التكافؤ). مثل كلوريد الصوديوم.
في الأملاح الثنائية وغيرها ستأخذ المعادلة الجذر (الثالث، الرابع، الخامس) المناسب على حسب الأسس في قانون حاصل الإذابة كما سيأتي.
العوامل المؤثرة على الذوبانية:
تأثير درجة الحرارة:
مبدأ لو شاتلييه يظهر أنه إذا كانت عملية الذوبان ماصة للحرارة، فإن الذوبانية يجب أن تزداد مع زيادة درجة الحرارة، والعكس صحيح إذا كانت عملية الذوبان طاردة للحرارة. المواد الصلبة غير قابلة للضغط بشكل كبير بحيث لا يؤثر الضغط بشكل كبير على المحاليل الصلبة في السوائل.
يمكن زيادة ذوبانية المذاب بتغيير درجة الحرارة. بشكل عام، يُذوِّب الماء المواد المذابة عند 20 درجة مئوية أو 100 درجة مئوية. يمكن إذابة المواد الصلبة ذات الذوبانية الضعيفة تمامًا عن طريق رفع درجة الحرارة. ومع ذلك، بالنسبة للمواد الغازية، فإن درجة الحرارة لها تأثير عكسي على الذوبانية. مع زيادة درجة الحرارة، يتمدد الغاز ويهرب من المذيب.
| نوع المادة | أمثلة على المواد |
|---|---|
| مواد تزداد ذوبانيتها بزيادة درجات الحرارة | مواد مثل: KClO3, KCl, KNO3, NaNO3, NH4Cl, KI. |
| مواد لا تتأثر بزيادة درجات الحرارة | كلوريد الصوديوم (ملح الطعام، NaCl) |
| مواد تنخفض ذوبانيتها بزيادة درجات الحرارة | الغازات مثل: HCl, NH3, SO2. |
القوى الجزيئية والروابط:
من المعروف بالفعل أن القوى بين الجزيئات وخصائص الروابط تختلف من جزيء إلى آخر. فإمكانية الذوبان بين عنصرين مختلفين أصعب مقارنة بالمواد المماثلة. على سبيل المثال، الماء هو مذيب قطبي يذوب بسهولة المواد المذابة القطبية مثل الإيثانول.
الضغط:
المواد الغازية أكثر حساسية للضغط بكثير من المواد الصلبة والسائلة. مع زيادة الضغط الجزئي للغاز، يزداد ذوبانيته. زجاجات مياه الصودا هي مثال على تعبئة ثاني أكسيد الكربون تحت ضغط عال[2].
حاصل الإذابة
تختلف قدرات الذوبان للمركبات الأيونية التي تتفكك في الماء لتشكيل أيونات موجبة وأيونات سالبة بشكل كبير. بعض المركبات قابلة للذوبان بشكل كبير ويمكنها حتى امتصاص الرطوبة من الجو، بينما تكون أخرى غير قابلة للذوبان تمامًا. ثابت الذوبانية هو نوع من ثوابت الاتزان التي تعتمد قيمتها على درجة الحرارة. يزيد غالبًا Ksp في الذوبانية وبالتالي يزداد مع زيادة درجة الحرارة.
صيغة ثابت حاصل الإذابة (Ksp):
يُستخدم ثابت حاصل الإذابة لتمثيل محلول مشبع من مركب أيوني ذو ذوبانية منخفضة نسبيًا. تكون المحاليل المشبعة في توازن ديناميكي بين المركبات الأيونية والصلبة غير المذابة.
يتم التعبير عن Ksp على النحو التالي: \[\text{MxAy (s) $\rightleftharpoons$ xM$^{y+}$ (aq) + yA$^{x−}$ (aq)}\]
يتم وصف ثابت الاتزان النموذجي على النحو التالي: \[Kc = [M^{y+}]^x[A^{x−}]^y\]
حيث تمثل الأقواس"[]" التركيز المولي للأيون الذي بداخلهما، أما الأُسَّين x و y خارج الاقواس عبارة عن عدد الأيونات المشاركة في التفاعل لكل أيون.
مسائل محلولة على الذوبانية
هنا أمثلة محلولة مختلفة توضح كيفية حل مسائل الذوبانية:
مثال 1:
قيمة Ksp لبروميد النحاس، CuBr، هي \(8 × 10^{-10}\) احسب التركيز المولي لبروميد النحاس.
الحل 1: \[\text{CuBr (s)} \rightleftharpoons \text{Cu$^+$ (aq)} + \text{Br$^-$(aq)} \\ \text{K$_{sp}$} = [\text{Cu$^+$}] × [\text{Br$^-$}] \\ K_{sp} = S × S \\ S^2 = 8 × 10^{-10}\\ S = \sqrt{8 × 10^{-10}}\\S = 2.8 × 10^{-5} moles/L.\\ \text{Cu$^+$} = S = 2.8 × 10^{-5} moles/L.\\ \text{Br$^-$} = S = 2.8 × 10^{-5} moles/L.\]
مثال 2:
التركيز المولي ليوديد القصدير، SnI2، هو \(1.00 × 10^{-2}\) مول/لتر. احسب قيمة Ksp لهذا المركب.
الحل 2:
نقوم بموازنة ذوبانية SnI2 على النحو التالي: \[\text{SnI$_2$ (s) $\rightleftharpoons$ Sn$^{2+}$(aq) + 2I$^-$(aq)}\]
تعبر قيمة Ksp عن المعادلة التالية: $$K_{sp} = [\text{Sn$^{2+}$}][\text{I$^{-}$}]^2$$
1 مول من SnI2 ينتج 1.0 مول من Sn2+ ولكن ينتج 2.0 مول من I-. \[[\text{Sn$^{2+}$}] = 1.00 × 10^{-2} moles/L \\ [\text{I$^{-}$}] = (2) × 1.00 × 10^{-2} moles/L \\ [\text{I$^{-}$}] = 2.00 × 10^{-2} moles/L \]
بوضع هذه القيم في المعادلة Ksp \[K_{sp} = (1.00 × 10^{-2})(2.00× 10^{-2})^2\\K_{sp} = 4 × 10^{-6}\]
مثال 3:
احسب ذوبانية كلوريد الفضة، AgCl. إذا كان ثابت الاتزان \([K_{sp} = 4 × 10^{-8}]\)؟
الحل 3:
الصيغة الكيميائية لكلوريد الفضة هي AgCl. عندما يتم إذابته في مذيب قطبي، تنفصل جزيئات كلوريد الفضة إلى أيونات فضة وأيونات كلوريد. يمكن تعبير هذا التفاعل التوازني على النحو التالي: \[\text{AgCl $\rightleftharpoons$ Ag$^+$ + Cl$^-$}\]
بالتالي، يمكن تعبير ثابت ذوبانية كلوريد الفضة على النحو التالي: \[K_{sp} = \text{[Ag$^+$][Cl$^-$]}\\K_{sp} = S × S\\Ksp = S^2\\s^2 = 4 × 10^{-8}\\S = \sqrt{4 × 10-8}\\S = 2 × 10^{-4} moles/L.\\ \text{[Ag$^+$]} = \text{[Cl$^-$]} = 2 × 10^{-4} moles/L.\]
مثال 4:
إذا كان كلوريد الكالسيوم الصلب في اتزان مع الماء النقي، فما هي قيم [Ca2+] و [Cl-] في المحلول عند التوازن؟ علما بأن: \([K_{sp(\text{PbCl$_2$})} = 2.1 × 10^{-5}]\).
الحل 4:
$$\text{CaCl$_2$ $\rightleftharpoons$ Ca$^{2+}$ + 2Cl$^-$}\\K_{sp} = [\text{Ca$^{2+}$}] [\text{Cl$^-$}]^2 \\ K_{sp} = S × (2S)^2\\K_{sp} = 4S^3\\2.1 × 10^{-5} = 4S^3\\ \frac{2.1 × 10^{-5}}{4} = S^3\\5.25 × 10^{-6} = S^3\\S = \sqrt[3]{5.25 × 10^{-6}}\\S \approx 1.74 × 10^{-2} moles/L\\ \text{[Ca$^{2+}$]} = S = 1.74 × 10^{-2} moles/L\\ \text{[Cl$^-$]} = 2S = 2 × 1.74 × 10^{-2}\\ \text{[Cl$^-$]}= 3.48 × 10^{-2} moles/L.$$مثال 5:
أحسب ذوبانية فوسفات الكاديوم \(\ce{(Cd3(PO4)2)}\) عند 20 درجة مئوية، إذا علمت أن ثابت ذوبانيته \([K_{sp\text{(Cd$_3$(PO$_4$)$_2$)}} = 6.24 × 10^{-6}]\).
معادلة تفكك \(\text{Cd$_3$(PO$_4$)$_2$}\) في الماء هي:
\[\text{Cd$_3$(PO$_4$)$_2$ (s) $\rightleftharpoons$ 3Cd$^{2+}$ (aq) + 2PO$_4^{3-}$ (aq)}\]
\[K_sp = \text{[Cd$^{2+}$]$^3$.[PO$_4^{3-}$]$^2$} \\ K_{sp} = (3S)^3.(2S)^2 = (3^3×2^2)S^5\\ S^5 = \frac{K_{sp}}{108} \\ S = \sqrt[5]{\frac{6.24 × 10^{-6}}{108}}\\ S = 3.57 × 10^{-2}\]
مثال 6:
يذوب 0.8108 جرام من \(\text{PbCl$_2$}\) في كل لتر من الماء عند 25 درجة مئوية. ما قيمة ثابت حاصل الإذابة (Ksp) عند هذه الظروف؟
معادلة التفكك: \[\text{PbCl$_2$ (s) $\rightleftharpoons$ Pb$^{2+}$ (aq) + 2Cl$^-$ (aq)}\\ K_{sp}=\text{[Pb$^{2+}$].[Cl$^-$]$^2$}\]
عادة يتم استخدام التراكيز المولارية (مول/لتر) لحساب Ksp لذلك نحتاج للحصول على عدد المولات والتي يمكن إيجادها من خلال العلاقة التالية: \[n=\frac{m(g)}{M_{wt}(g/mole)}\]
الوزن الجزيئي لكلوريد الرصاص (PbCl2) يساوى 278.1 جرام/مول. ونقوم بالتعويض في الصيغة أعلاه: \[n_{\text{(PbCl$_2$)}}=\frac{0.8108}{278.1}\\n_{\text{(PbCl$_2$)}}\approx 2.92 × 10^{-3} moles\\n_{\text{(PbCl$_2$)}}=n_{\text{(Pb$^{2+}$)}}=\frac{1}{2}n_{\ce{(Cl^{-})}}\\ n_{\text{(Cl$^-$)}}=2 × 2.92 × 10^{-3}\\ \therefore n_{\text{(Cl$^-$)}} = 5.84 × 10^{-3}\]
في المسألة يتم الذوبان في 1لتر، وإذا كان وحدة التركيز المولاري هي مول/1لتر. إذا يمكن قسمة عدد المولات التي حصلنا عليها على 1لتر، ونقوم بالتعبير عن ثابت حاصل الإذابة كالتالي: $$K_{sp}=[\frac{2.92 × 10^{-3}}{1}][\frac{5.84 × 10^{-3}}{1}]^2\\ \therefore K_{sp} \approx 9.96 × 10^{-8}$$
اقرأ أيضا: طرق التعبير عن التركيز في الكيمياء
الأسئلة الشائعة
ما هي العوامل المؤثرة على الذوبانية؟
تؤثر كل من درجة الحرارة والقوى بين الجزيئات والضغط على ذوبانية المواد والأيون المشترك.
ما هو الأيون المشترك وما تأثيره على الذوبانية؟
الأيون المشترك هو أيون يعتبر جزءا من تركيب المذيب والمذاب. يقلل من الذوبانية مع ارتفاع درجة الحرارة.
ما تأثير كل من الضغط والحرارة على ذوبانية الغازات؟
في الغازات، تزداد الذوبانية مع زيادة الضغط وتنخفض بارتفاع درجات الحرارة.