خصائص المحاليل

• المحاليل تتكوّن من مُذاب ومُذيب، وبعض خصائص المُذيب الفيزيائية تتأثر بعدد الجسيمات المُذابة فيه ولا تعتمد على طبيعة المُذاب.

• الخواص الجمعية أربع:
• الانخفاض في الضغط البخاري.
• الارتفاع في درجة الغليان.
• الانخفاض في درجة التجمد.
• الضغط الأسموزي.
• سندرس أول ثلاث خواص في هذا الكتاب.

فماذا يحدث للضغط البخاري حين نضيف مُذابًا إلى مُذيب؟

الخصائص الجامعة: ماذا يغيّر المُذاب في المُذيب؟

للمحاليلِ خصائصُ عدّة، تميزها عن المذيب النقي، مثل الضغط البخاريّ ودرجة الغليان ودرجة التجمّد والضغط الأُسموزيّ.

• أستنتجُ الخصائصَ الجامعة للمحاليل (الضغط البخاريّ، درجة الغليان، درجة التجمّد، الضغط الأُسموزيّ).
• أُجري حساباتٍ لمعرفة درجة غليان المحلول ودرجة تجمّده.
• أُقارنُ بين أثر المُرَكَّبات الأيونيّة والجُزيئيّة في تغيير خصائص المُذيب.
• أستقصي بعضَ التطبيقات العمليّة المرتبطة بخصائص المحاليل.

الضغط البخاري: كيف يقلّله وجود مُذاب؟

• السائل يتبخّر عند أي درجة حرارة.

• يعتمد الضغط البخاري للمحلول على عدد جسيمات المُذاب فيه؛ فانخفاضه يزداد بزيادة تركيز المحلول.

• عند إذابة مادة غير مُتطايرة:
• جزيئات المُذاب تحتل جزءًا من سطح الماء (المُذيب)، فيقلّ عدد جزيئات الماء عند السطح ويقلّ تبخّرها.
• ينشأ تجاذب بين بعض جسيمات المُذيب وجسيمات المُذاب، فيقلّ عدد جسيمات المُذيب التي تفلت من السطح وتتحول إلى الحالة الغازية.
• النتيجة: يقلّ الضغط البخاري للمحلول عنه للمُذيب النقي.
• كلما ازداد عدد جسيمات المُذاب في حجم معيّن من المحلول يزداد تركيزه ويقلّ ضغطه البخاري.
• المحلول المُركَّز أقلّ ضغطًا بخاريًا من المُخفَّف، والضغط البخاري للمُذيب النقي أعلى منه لكليهما.

وماذا يحدث لدرجة غليان المحلول حين ينخفض ضغطه البخاري؟

درجة الغليان: لماذا يغلي المحلول عند درجة أعلى؟

• المُذيب النقي له درجة غليان محددة عند ضغط جوي محدد.
• يغلي السائل عندما يصبح ضغطه البخاري مساويًا للضغط الخارجي.
• الماء النقي يبدأ بالغليان عند $100\ °\text{C}$ وضغط $1\ \text{atm}$، ثم تثبت درجة غليانه عند هذه الدرجة.
• عند إذابة مادة غير مُتطايرة في الماء يبدأ المحلول بالغليان عند درجة أعلى من $100\ °\text{C}$؛ فدرجة غليان المحلول أعلى من درجة غليان المُذيب النقي.
• عند وصول المحلول إلى درجة غليان المُذيب يكون ضغطه البخاري أقل من الضغط الجوي.
• فتلزم زيادة درجة الحرارة للتغلب على قوى التجاذب بين جسيمات المُذيب والمُذاب، حتى يصل الضغط البخاري إلى الضغط الجوي.

• يتناسب الارتفاع في درجة غليان المحلول طرديًا مع التركيز المولالي للمحلول.

الارتفاع في درجة الغليان = ثابت × المولالية

• $\Delta T_b$: الارتفاع في درجة الغليان.
• $K_b$: ثابت الارتفاع في درجة غليان المُذيب.
• $m$: التركيز المولالي للمحلول.

• حيث $T_2$ درجة غليان المحلول و$T_1$ درجة غليان المُذيب.

التركيز المولالي ⁦(m) =⁩ عدد مولات المُذاب ⁦(mol) /⁩ كتلة المُذيب ⁦(kg)⁩

• الجدول (5): قيم ثابت الارتفاع في درجة الغليان لبعض المُذيبات السائلة.

• ثابت الارتفاع في درجة غليان المُذيب ⁦(Kb)⁩ هو مقدار الارتفاع في درجة غليان المُذيب عند إذابة $1\ \text{mol}$ من المُذاب في $1\ \text{kg}$ من المُذيب النقي.
• قيمة ⁦Kb⁩ تعتمد على طبيعة المُذيب.

• لا تثبت درجة غليان المحلول في أثناء الغليان، بل تستمر في الارتفاع.
• قارن محلولين لمادتين غير متطايرتين بالتركيز نفسه، إحداهما متأيّنة ⁦(X)⁩ والأخرى غير متأيّنة ⁦(Y)⁩؛ درجة غليان محلول المادة المتأيّنة أعلى (الشكل 11).
• نفسّر ذلك بالمعادلتين الآتيتين لمادة غير متأيّنة ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$) ومادة متأيّنة ⁦(NaCl)⁩:

• عدد الجسيمات في محلول ⁦NaCl⁩ أكثر منه في محلول $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$، وخواص المحلول تعتمد على عدد الجسيمات؛ فالارتفاع في غليان المتأيّنة أعلى.

• في المحاليل الأيونية نحسب التغير في درجة الغليان بالعلاقة الآتية:

1. عدد المولات: اقسم كتلة المُذاب على كتلته المولية.
2. المولالية: اقسم مولات المُذاب على كتلة المُذيب بالكيلوغرام.
3. المُذاب المتأيّن: اكتب معادلة تأيّنه واحسب عدد مولات أيوناته ⁦(i)⁩.
4. التغيّر في الدرجة: اضرب الثابت في المولالية (وفي ⁦i⁩ إن كان المُذاب متأيّنًا).
5. درجة المحلول: أضف الارتفاع إلى درجة غليان المُذيب، أو اطرح الانخفاض من درجة تجمّده.

أيهما له أعلى درجة غليان: محلول ⁦KBr⁩ أم محلول ⁦MgBr2⁩ لهما التركيز نفسه؟

الفكرة الرئيسة: أوضّح العلاقة بين كل من الضغط البخاري ودرجة غليانه مقارنة مع المذيب النقي.

وماذا عن الطرف الآخر: درجة التجمّد؟

درجة التجمد: لماذا يتجمّد المحلول عند درجة أقل؟

• تنتشر جسيمات المُذاب بين جسيمات المُذيب وتحتل حيّزًا بينها، فيُعيق ذلك تقاربها وتجاذبها.
• التجاذب بين جسيمات المُذاب والمُذيب يقلل فرص التجاذب بين جسيمات المُذيب نفسها.
• جسيمات المُذاب تُعيق تقارب جسيمات المُذيب وانجذابها نحو بعضها للوصول إلى الحالة الصلبة عند درجة التجمد.
• فيلزم انخفاض أكثر في درجة الحرارة، فتصبح أقل من درجة تجمد المُذيب النقي حتى تتقارب جسيمات المُذيب وتتجاذب وتصل إلى حالة التجمد.

• درجة تجمد المحلول أقل من درجة تجمد المُذيب النقي، ويتناسب الانخفاض فيها طرديًا مع التركيز المولالي للمحلول.

الانخفاض في درجة التجمد = ثابت × المولالية

• $\Delta T_f$: الانخفاض في درجة التجمد.
• $K_f$: ثابت الانخفاض في درجة تجمد المُذيب.

• حيث $T_2$ درجة تجمد المحلول و$T_1$ درجة تجمد المُذيب.

• في المحاليل الأيونية نستخدم العلاقة:

• ثابت الانخفاض في درجة تجمد المُذيب يُقاس بإذابة $1\ \text{mol}$ من المُذاب في $1\ \text{kg}$ من المُذيب النقي، وتعتمد قيمته على طبيعة المُذيب.

• الجدول (6): قيم ثابت الانخفاض في درجة تجمد بعض المُذيبات السائلة.

أوضّح المقصود بكل من: الانخفاض في درجة التجمّد، الانخفاض في الضغط البخاري للمحلول.

أميّز بين ثابت الارتفاع في درجة الغليان وثابت الانخفاض في درجة التجمّد.

وكيف ينتقل المُذيب نفسه بين محلولين مختلفي التركيز؟

الأسموزية: كيف ينتقل المُذيب عبر الغشاء؟

• الأغشية شبه المنفذة تسمح بمرور جسيمات المُذيب وتمنع مرور جسيمات المُذاب كبيرة الحجم (الشكل 14).
• فيرتفع سطح السائل فوق المحلول المُركَّز.

• عندما يصبح الضغط الناتج عن اختلاف ارتفاع سطحي السائلين كافيًا لمنع الأسموزية يثبت الارتفاع، مع استمرار انتقال المُذيب بين المحلولين بشكل متساوٍ.

• الضغط الأسموزي من الخصائص الجامعة للمحاليل: يعتمد على عدد جسيمات المُذاب في كمية محددة من المحلول.
• تؤدي الأسموزية دورًا حيويًا في عمليات حيوية في النباتات، مثل امتصاص الماء والغذاء من التربة.

ما المقصود بـ«الضغط الأسموزي»؟

وكيف تُستثمر الأسموزية في تحلية المياه؟

إثراء: أنابيب الكربون النانوية وتحلية المياه

• ندرة المياه دفعت الباحثين إلى تطوير تقنيات فعالة ومستدامة لتحلية المياه.
• الطرائق القائمة على الأغشية يزداد الاهتمام بها لمزاياها، مثل جودة المياه العالية وانخفاض التكلفة.
• أنابيب الكربون النانوية أنابيب مصنوعة من ذرات الكربون في ترتيب فريد، مجوفة من الداخل، وتعمل مليارات منها كمسامّ في غشاء.
• تسمح هذه الأنابيب فائقة الصغر للسوائل والغازات بالتدفق بسرعة، ويمنع المسامّ الصغير الجزيئات الأكبر حجمًا من النفاذ.
• وبهذا يمكن استخدامها مسامّ في تحلية المياه وإزالة الملح منها.

• تُنفَّذ التحلية عادةً بالأسموزية المعاكسة: يتم فيها التأثير بضغط أكبر من الضغط الأسموزي، فينعكس اتجاه حركة جسيمات المُذيب (الماء) من المحلول إلى المُذيب النقي عبر غشاء شبه منفذ.
• الأغشية التقليدية أقل نفاذية، وتتطلب كميات كبيرة من الضغط، وهي مكلفة للغاية.
• الأغشية النانوية الأكثر نفاذية تقلل تكاليف الطاقة اللازمة لتحلية المياه بنسبة عالية مقارنة بالأغشية التقليدية.
• استخدام أغشية الأنابيب النانوية سيفتح مجموعة واسعة من التطبيقات في المستقبل.