شارح الدرس: حاصل الإذابة الكيمياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نفسِّر حاصل الإذابة ونحسبه.

يوجد العديد من المواد الأيونية التي يمكننا تصنيفها قابلةً للذوبان، مثل كلوريد الصوديوم. ومع ذلك، هناك أيضًا العديد من المواد التي نعتبرها غير قابلة للذوبان، مثل كبريتات الباريوم أو كربونات الكالسيوم. كما أن هناك بعض المواد الأيونية التي قد نعتبرها شحيحة الذوبان، مثل هيدروكسيد الكالسيوم.

عندما تُوصَف مادة بأنها غير قابلة للذوبان فعادةً ما يعني هذا أن المادة لا تذوب في الماء على الإطلاق. ومع ذلك، بالنسبة إلى المواد غير القابلة للذوبان، مثل كبريتات الباريوم أو هيدروكسيد النحاس الثنائي، فإنها في الواقع يمكن أن تذوب في الماء، لكن بكميات صغيرة جدًّا فقط.

إذا أردنا التعبير عن هذا الذوبان في صورة اتزان لأيون فلز عام، ، وأنيون عام، ، يمكننا كتابة معادلة الذوبان على النحو الآتي:

هنا، يمكننا أن نتخيَّل أن التوازن يقع بعيدًا جدًّا في اتجاه الطرف الأيسر مع وجود عدد قليل جدًّا من الأيونات في المحلول.

يمكن التعبير عن هذا الاتزان في صورة ثابت اتزان يُعرَف بحاصل الإذابة، . ويمكن كتابة لهذه المعادلة العامة على النحو الآتي:

تُشير الأقواس المربعة هنا إلى التركيز مقيسًا بوحدة mol⋅dm⁻³ أو mol/L، وبهذا، تكون وحدات معادلة حاصل الإذابة هذا بالأخص هي mol²⋅dm⁻⁶، وذلك على النحو المحسوب الآتي:

يختلف هذا النوع المُحدَّد من ثوابت الاتزان عن الأنواع الأخرى؛ حيث تُقسَم عادةً بعض قيم النواتج على بعض قيم المتفاعلات. على سبيل المثال، يُحسَب ثابت الاتزان للتركيز من خلال ضرب تركيزات النواتج معًا، ثم قسمة هذه القيمة على حاصل ضرب تركيزات المتفاعلات. في حالة حاصل الإذابة تكون المتفاعلات في هذا الاتزان غير المتجانس هي المادة الصلبة غير القابلة للذوبان، وتكون الكمية التي تتغيَّر من بداية الذوبان إلى الاتزان صغيرة جدًّا؛ حيث يمكن اعتبارها مقدارًا ثابتًا؛ ومن ثَمَّ تُدمَج في .

عندما يساوي  حاصل ضرب تركيز الأيونات، يُقال إن المحلول مشبَّع:

لكن عندما يصبح حاصل ضرب تركيز الأيونات أكبر من قيمة ، يبدأ الراسب في التكوُّن:

وأخيرًا، عندما يكون أكبر من حاصل ضرب تركيز الأيونات، فإن كمية أكبر من المادة الصلبة ستذوب قبل الوصول إلى الاتزان:

إضافةً إلى ذلك، نعلم جميعًا أنه من السهل إذابة كمية أكبر من السكر في الشاي الساخن بدلًا من الشاي البارد، ولذلك لا عجب من أن قيم تعتمد على درجة الحرارة وتختلف تبعًا لقيمة درجة الحرارة التي تُقاس عندها.

قبل أن نتناول كيفية حساب حاصل الإذابة، من المهم أن نكتب معادلة  بطريقة صحيحة تعبِّر عن المواد الأيونية التي تحتوي على أكثر من أيون من نفس النوع:

صيغة فوسفات النيكل هي ، وهكذا يمكن كتابة  على النحو الآتي:

يمكن حساب الوحدات على النحو الآتي:

لاحِظ في الأمثلة السابقة كيف أثَّرت الأسس المختلفة التي رُفِع إليها كلُّ تركيز من التركيزات على وحدات .

تعتمد الأسئلة المتعلِّقة بـ إما على حساب قيم من تركيزات مُعطاة وإما على حساب التركيزات والمعلومات ذات الصلة من قيم . نعلم أنه في حالة المواد الأيونية غير القابلة للذوبان يقع الاتزان بشكل كبير ناحية المتفاعلات؛ ومن ثَمَّ لا عجب في أن قيم صغيرة للغاية.

على سبيل المثال، قيمة لبروميد الفضة تساوي mol²⋅dm⁻⁶. باستخدام هذه القيمة يمكننا تحديد كمية بروميد الفضة، بالجرام التي ستذوب فعليًّا في 1 dm³ (1‎ ‎000 mL) من الماء.

يمكن كتابة اتزان ذوبان بروميد الفضة على النحو الآتي:

هذا يُعطينا المعادلة لـ :

نعلم أنه عند ذوبان المادة الأيونية تَنتُج كميات متساوية من أيونات الفضة وأيونات البروميد. هذا يجعلنا نقول إن:

يمكننا بعد ذلك التعويض بـ في معادلة الاتزان:

ويمكننا إيجاد قيمة  بأخذ الجذر التربيعي:

ومن ثَمَّ، يمكننا ملاحظة ذوبان مول من بروميد الفضة في 1 dm⁻³ (1‎ ‎000 mL) من الماء. وأخيرًا، يمكننا استخدام الكتلة المولية لبروميد الفضة (188 g/mol) وعدد المولات لتحديد مقدار الكتلة المذابة:

توضِّح لنا القيمة النهائية ذوبان 0.000137 g من بروميد الفضة في 1 dm³ (1‎ ‎000 mL) من الماء عند درجة حرارة 298 K.

لقد رأينا للتو في المثال السابق أن حاصل إذابة بروميد الفضة يساوي mol²⋅dm⁻⁶. ولكن لا يمكننا أن نقدِّر بعدُ ما تعنيه هذه القيمة مقارنةً بحاصل إذابة المواد الصلبة الأيونية الأخرى. في الجدول الآتي، يمكننا أن نرى المزيد من الأمثلة على المواد الصلبة الأيونية المختلفة، وحاصل الإذابة لهذه المواد الصلبة، والكمية بالجرام التي يمكننا إذابتها في 1 L من الماء عند درجة حرارة 298 K.

كما نرى من الجدول، يوضِّح الاتجاه أنه كلما قلَّ حاصل الإذابة، قلَّت أيضًا كمية المادة الأيونية التي يمكننا إذابتها في حجم ثابت من الماء. ولكن علينا تذكُّر أن كتلة الصيغة النسبية وعدد مولات الأيونات الموجودة في المحلول يلعب كلاهما دورًا في كمية المادة التي يمكن إذابتها. وقد يكون هناك بعض الاستثناءات لهذا التوجُّه العام في حاصل الإذابة لمادتين كيميائيتين مختلفتين لهما مقداران متشابهان.

يمكننا أيضًا فعل ذلك الأمر بطريقة عكسية، وحساب قيمة من كمية المادة التي ذابت في الماء لتكوِّن محلولًا مُشبَّعًا.

بالنسبة إلى بروميد الفضة، كان يجب علينا استخدام الجذر التربيعي لإيجاد قيمة  وحساب التركيز. لكن بالنسبة إلى بعض المواد الأيونية التي تحتوي على أكثر من أنيون أو كاتيون واحد، فقد يكون من الضروري استخدام جذور أكثر تعقيدًا.

هيا نتناول محلولًا مائيًّا من هيدروكسيد الألومنيوم. إذا علمنا أن قيمة ، فكيف يمكننا حساب تركيز  في محلول مُشبَّع من هيدروكسيد الألومنيوم؟

في البداية، سنكتب معادلة الاتزان :

يمكننا التعويض بعد ذلك بـ :

ويمكننا بعد ذلك التعويض بقيمة وإيجاد قيمة :

يمكننا الآن إيجاد قيمة  لنحصل على تركيز أيونات في المحلول المشبَّع: