انحلال‌پذیری

نمودار انحلال پذیری بر حسب دما برای چند نمک شیمیایی

انحلال پذیری (به انگلیسی: Solubility) مفهومی بنیادی در علم شیمی و مبحث محلول‌ها است که میزان حل شدن یک ماده (جامد، مایع یا گاز) را در یک حلال مشخص (جامد، مایع یا گاز) بیان می‌کند. این کمیت با عواملی چون نوع حلال، دما و فشار رابطه دارد. هر محلولی یک مقدار مشخص از یک حل شونده را می‌تواند در خود حل کند. برای مثال گفته می‌شود انحلال پذیری شکر در آب برابر X است؛ یعنی بیشترین مقداری که می‌شود شکر را در ۱۰۰ گرم آب حل کرد برابر X گرم است. اگر کمتر از X گرم در آب شکر حل شود، به این محلول، محلول سیر نشده می‌گویند. اگر در آب به مقدار X گرم شکر حل شود، به این محلول، محلول سیر شده می‌گویند. حال می‌توان محلول را گرم کرد تا انحلال پذیری اش بالا برود. حال شکر بیشتر از قبل در آن حل می‌شود. اگر این ماده سرد شود،رسوب می‌کند. به این محلول، محلول فراسیر شده می‌گویند.

محلولی که به جنس ماده بستگی دارد اندازه انحلال پذیری خود در دما و فشار مشخص، ماده‌ای را در خود حل کرده باشد، محلول اشباع (سیر شده) گویند و در صورتی که بیش از این مقدار ماده در محلول حل شود، محلول را فوق اشباع (فراسیر شده) می‌نامند.

معمولاً انحلال پذیری مواد مختلف را به صورت گراف

نسبت به عوامل دیگری چون دما و فشار نمایش می‌دهند.

انحلال پذیری به نوعی بیانگر این است که در ۱۰۰ گرم حلال در شرایط X، چند گرم حل شونده می‌توان حل کرد. اگر درصد حل شونده ما در محلول از این مقدار بیشتر باشد، گفته می‌شود یک محلول فرا سیر شده داریم، اگر مقدار درصد حل شونده در محلول از این مقدار کمتر باشد، گفته می‌شود محلول سیر نشده داریم.

بیشترین مقدار ماده ای که می‌تواند در ۱۰۰ گرم آب (یا هر حلال دیگر) با دمای معین حل شود را انحلال پذیری آن ماده می‌گویند.

خلاصهٔ نمودار انحلال پذیری (نمودار صعودی):

افزایش دما:محلول سیر نشده

کاهش سریع دما:محلول سیر شده

کاهش تدریجی دما:محلول فراسیر شده

خلاصهٔ نمودار انحلال پذیری (نمودار نزولی):

کاهش دما:محلول سیر نشده

افزایش سریع دما:محلول سیر شده در عین حال این محلول دارای ویژگی های دیگری نیز می باشد افزایش تدریجی دما:محلول فراسیر شده

کمی‌سازی حلالیت

محلول نمک در آب (نمک معمولی، آب لوله کشی معمولی)

حلالیت یک حل‌شونده خاص در یک حلال خاص به طور کلی به عنوان غلظت یک محلول اشباع از این دو بیان می شود. برای بیان این غلظت چندین روش وجود دارد که هرکدام می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند، مانند جرم، حجم، یا مقدار بر حسب مول حل‌شونده برای جرم، حجم یا مقدار مول خاصی از حلال یا محلول.

به ازای هر مقدار حلال

به طور خاص، کتاب‌های راهنمای شیمیایی اغلب حلالیت را به صورت گرم حل‌شونده در ۱۰۰ میلی لیتر حلال یا به صورت گرم حل‌شونده در هر دسی لیتر حلال بیان می کنند. در مواردی هم به صورت گرم حل‌شونده در لیتر حلال بیان شده است. در عوض، مقدار حلال را می توان به صورت جرمی، به صورت گرم حل‌شونده در هر ۱۰۰ گرم حلال یا به صورت گرم حل‌شونده در هر کیلوگرم حلال بیان کرد. ممکن است عدد در این مورد به صورت درصد بیان شود و از علامت اختصاری "w/w" برای نشان دادن "وزن در هر واحد وزن" استفاده شود. (مقادیر g/L و g/kg برای آب مشابه هستند، اما ممکن است برای حلال های دیگر صدق نکنند.)

به عنوان روش دیگر می‌توان حلالیت یک حل‌شونده را به صورت مول بر جرم بیان کرد. به عنوان مثال، اگر مقدار حلال به کیلوگرم داده شود، مقدارحلال به صورت مولالیته (mol/kg) داده می‌شود.

به ازای هر مقدار محلول

حلالیت یک ماده در یک مایع نیز ممکن است به عنوان مقدار حل‌شونده در هر مقدار محلول بیان شود نه حلال. به عنوان مثال، در روش تیتراسیون، ممکن است به صورت مول حل‌شونده در هر لیتر محلول (mol/L)، مولاریته ثانویه، بیان شود.

در زمینه های تخصصی تر، حلالیت ممکن است توسط کسر مولی (مول حل‌شونده در مول کل حل‌شونده به اضافه حلال) یا با کسر جرمی در حالت تعادل (جرم حل‌شونده در هر جرم حل‌شونده به اضافه حلال) داده شود. هر دو اعداد بدون بعد و بین ۰ و ۱ هستند که ممکن است به صورت درصد (%) بیان شوند.

حل‌شونده مایع و گاز

برای محلول‌های مایعات یا گازها در مایعات، مقدار هر دو ماده ممکن است به جای جرم یا مول، به صوزت حجم داده شود. مانند لیتر حل‌شونده در لیتر حلال یا لیتر حل‌شونده در لیتر محلول. این مقدار ممکن است به صورت درصد داده شود، و مخفف "v/v" برای "حجم در هر واحد حجم" ممکن است برای نشان دادن این انتخاب استفاده شود.

تبدیل مقادیر حلالیت

تبدیل بین این روش‌های مختلف اندازه‌گیری حلالیت بی‌اهمیت نیست، زیرا ممکن است به دانستن چگالی محلول نیاز داشته باشد - که اغلب اندازه‌گیری نمی‌شود و نمی‌توان آن را پیش‌بینی کرد. در حالی که جرم کل با انحلال حفظ می شود، حجم نهایی ممکن است با حجم حلال و مجموع دو حجم متفاوت باشد.

علاوه بر این، بسیاری از جامدات (مانند اسیدها و نمک ها) در صورت حل شدن به روش های غیر ضروری تجزیه می شوند. در این موارد، مجموع مول‌های مولکول‌های حل‌شونده و حلال در واقع مجموع مول‌های محلول ذرات مستقل، نیست.

عوامل موثر بر حلالیت

حلالیت برای فاز های خاص تعریف شده است. به عنوان مثال، انتظار می رود که حلالیت آراگونیت و کلسیت در آب متفاوت باشد، حتی اگر هر دو پلی‌مورف کلسیم کربنات باشند و فرمول شیمیایی یکسانی داشته باشند.

حلالیت یک ماده در ماده دیگر با تعادل نیروهای بین مولکولی بین حلال و حل‌شونده و تغییر آنتروپی که با حلالیت همراه است تعیین می شود. عواملی مانند دما و فشار این تعادل را تغییر داده و در نتیجه انحلال پذیری را تغییر می دهند.

حلالیت همچنین ممکن است به شدت به حضور گونه های دیگر محلول در حلال بستگی داشته باشد، به عنوان مثال، آنیون‌های تشکیل‌دهنده کمپلکس (لیگاندها) در مایعات. حلالیت همچنین به کم یا زیاد بودن یک یون مشترک در محلول بستگی دارد، پدیده‌ای که به عنوان اثر یون مشترک شناخته می شود. حلالیت به میزان کمتری به قدرت یونی محلول ها بستگی دارد. دو اثر آخر را می توان با استفاده از معادله تعادل انحلال پذیری کمی سازی کرد.

حلالیت همچنین به اندازه فیزیکی کریستال یا قطره حل‌شونده بستگی دارد. برای کریستال های بسیار معیوب، حلالیت ممکن است با افزایش درجه بی نظمی افزایش یابد. هر دوی این اثرات به دلیل وابستگی ثابت حلالیت به انرژی گیبس کریستال رخ می دهند.

دما

حلالیت یک حل‌شونده معین در یک حلال معین تابع دما است. بسته به تغییر در آنتالپی (ΔH) واکنش انحلال، به عنوان مثال، در ویژگی گرماگیر (ΔH > 0) یا گرمازا (ΔH <0) واکنش انحلال، حلالیت یک ترکیب معین ممکن است با دما افزایش یا کاهش یابد. معادله وانت هوف تغییر ثابت تعادل حلالیت (Ksp) را به تغییر دما و به تغییر آنتالپی واکنش مرتبط می‌کند. برای اکثر جامدات و مایعات، حلالیت آنها با دما افزایش می یابد زیرا واکنش انحلال آنها گرماگیر است (ΔH > 0). در آب مایع در دماهای بالا، (به عنوان مثال نزدیک شدن به دمای بحرانی)، حلالیت حل‌شونده یونی به دلیل تغییر خواص و ساختار آب مایع، تمایل به کاهش دارد.

فشار

وابستگی به فشار حلالیت گاهی اوقات اهمیت عملی دارد. به عنوان مثال، رسوب گیری میادین نفتی و چاه های نفتی توسط کلسیم سولفات (که حلالیت آن را با کاهش فشار کاهش می دهد) می تواند منجر به کاهش بهره وری با گذشت زمان شود.

قطبیت

یک حل‌شونده در حلالی که ساختار شیمیایی مشابهی با خودش دارد، بر اساس آنتروپی مطلوب اختلاط، به بهترین وجه حل می شود. این دیدگاه ساده انگارانه است، اما یک قانون کلی مفید است. ظرفیت حلالیت کلی یک حلال در درجه اول به قطبیت آن بستگی دارد.برای مثال، یک حل‌شونده بسیار قطبی (آب دوست) مانند اوره در آب بسیار قطبی بسیار محلول است، در متانول با قطبیت نسبتا کمتر محلول است و عملاً در حلال‌های غیرقطبی نامحلول است. در مقابل، یک املاح غیر قطبی یا چربی دوست مانند نفتالین در آب نامحلول، در متانول نسبتاً محلول و در بنزن غیر قطبی بسیار محلول است.

به عبارت ساده تر، یک ترکیب ساده یونی (با یون‌های مثبت و منفی) مانند کلسیم کلرید (نمک طعام) به راحتی در یک حلال بسیار قطبی حل می‌شود.

شیمیدانان اغلب از تفاوت در حلالیت ها برای جداسازی و خالص سازی ترکیبات از مخلوط های واکنش، با استفاده از تکنیک استخراج مایع-مایع استفاده می کنند. این امر در حوزه های وسیعی از شیمی از سنتز دارو گرفته تا بازفرآوری سوخت هسته ای مصرف شده اعمال می شود.

جستارهای وابسته

• قانون رائولت
• قانون هنری
• حل‌شونده
• حلال
• استخراج مایع_مایع
• معادله وانت هوف