انحلال مواد یونی در آب

معرفی

خب بچه ها امروز قراره با هم در مورد انحلال مواد یونی در آب یاد بگیریم. قبل از اینکه شروع کنیم بهتره یک سری مفاهیم مهم رو براتون توضیح بدم.

1. محلول: محلول ماده ای هستش که حداقل از دو تا جزء تشکیل شده باشه. هر محلول از حلال و حل شونده تشکیل شده.
2. حلال: ماده ای هستش که حل شونده رو در خودش حل می کنه.
3. حل شونده: ماده ای هستش که در حلال، حل می شه.
4. انحلال: یعنی حل شدن و در واقع یعنی حل شدن حل شونده در حلال.

مثال: می تونیم با ساده ترین مثال شروع کنیم مثلا در محلول آب نمک، آب حلال و نمک حل شونده هستش. یا در محلول چای شیرین، آب میشه حلال و شکر و عصاره چای میشه حل شونده!!

قبلا در شبیه ساز ترکیب یونی، به طور مفصل باهاتون صحبت کردم و ترکیبات یونی رو بهتون معرفی کردم. در این شبیه ساز قراره که انحلال چند تا از مواد یونی رو در آب بررسی کنیم.

بچه ها آب یک مولکول قطبی هستش یعنی سر مثبت و سر منفی داره. اگر مواد قطبی و ناقطبی رو یادتون رفته پس بازم یک سری به شبیه ساز قطبیت مولکول بزنید!

در حالت عادی وقتی که هیچی به آب اضافه نکردیم، بین مولکول های آب یک نیروی جاذبه قوی به نام پیوند هیدروژنی وجود داره که باعث میشه مولکول های آب بهم وصل بشن و فرو نپاشن.

اگر بخوام به زبون ساده بهتون بگم، وقتی که یک ترکیب یونی رو به آب اضافه می کنیم، یون های مثبت و منفی در ترکیب یونی از هم باز میشن و مولکول های آب یونهای مثبت و منفی رو محاصره می کنن. البته دقت کنید که یونهای منفی توسط سر مثبت مولکول آب (از ناحیه اتم های هیدروژن) و یونهای مثبت توسط سر منفی مولکول آب (از ناحیه اتم های اکسیژن) محاصره میشن که میگیم یونها آبپوشیده شدن و به این فرآیند میگیم آبپوشی. وقتی که آبپوشی صورت بگیره یعنی ترکیب یونی در آب حل شده.

انحلال ترکیب یونی آب میتونه گرماده یا گرما گیر باشه ....

1. انحلال گرماده: در این فرآیند با حل شدن جامد یونی در آب، دمای محلول افزایش پیدا میکنه یعنی گرما به محلول داده میشه و دمای ظرف انجام واکنش میره بالا.
2. انحلال گرماگیر: در این فرآیند با حل شدن جامد یونی در آب، دمای محلول کاهش پیدا میکنه یعنی گرما از محلول گرفته میشه و دمای ظرف انجام واکنش میاد پایین.

نحوه کار با شبیه ساز

برای شروع کلیک کنید. در سمت چپ صفحه یک دستگاه استیرِر مجهز به سنسور دما می‌بینید. دستگاه استیرر یا همزن مغناطیسی دستگاهی است که با ایجاد یک میدان مغناطیسی باعث می‌شود تا مگنت یا آهنربای مغناطیسی به حرکت درآید و محلول همزده شود. سنسوری که با سیم به دستگاه متصل شده است می‌تواند دمای داخل محلول را اندازه‌گیری کند. بر روی دستگاه یک ظرف عایق قرار دارد که این ظرف باعث می‌شود تا تبادل گرما با محیط اطراف به حداقل برسد. در واقع این ظرفی که مشاهده می‌کنید، بازسازی ساده‌ای از دستگاه گرماسنج یا کالُریمتر می‌باشد. همانطور که می‌بینید دمای اولیه آب ۲۵ درجه سانتیگراد می‌باشد.

برای شروع یکی از ظروف مواد جامد یونی را از قفسه سمت راست، بالای صفحه انتخاب کنید. مثلا کلسیم کلرید (CaCl₂) را انتخاب کنید و بکشید و در محل مشخص شده قرار دهید. حال می‌توانید از منوی سمت راستِ پایینِ صفحه مقدار آب داخل ظرف عایق و همچنین مقدار جامد یونی که قرار است با قاشق بردارید را تغییر دهید. مثلا حجم آب را روی ۱۰۰ میلی لیتر و مقدار CaCl2 را روی ۱۰ گرم قرار دهید. پس از تعیین مقدار دلخواه، دکمه شروع (▶️) پایینِ صفحه را بزنید تا با قاشقک فلزی از جامد یونی برداشته شود و به آبِ داخل ظرف عایق اضافه شود. در همین لحظه نمایش شکل مولکولی را از کنار دستگاه استیرر انتخاب کنید تا با هم خوردن مگنت و حل شدن جامد یونی در آب، مشاهده کنید که در آرایش یون‌ها و مولکول‌ها و تغییر دمای محلول چه اتفاقی می‌افتد.

همانطور که قبلاً توضیح داده شده بود در حالتی که داخل آب، ماده‌ای اضافه نکرده‌ایم بین مولکول‌های آب نیروی جاذبه قوی به نام پیوند هیدروژنی قرار دارد. در این نوع نیرو جاذبه، اتم هیدروژن مثل یک پل بین دو اتم اکسیژن از دو مولکول قرار گرفته اند و باعث می‌شوند که مولکول‌های آب محکم به یکدیگر متصل باشند و از هم فرو نپاشند. با اضافه کردن جامد یونی، یون‌های کلسیم و کلرید از هم باز می‌شوند یون کلرید با سرِ مثبت مولکول آب یعنی اتم‌های هیدروژن و یون کلسیم، با سرِ منفی مولکول آب یعنی اتم‌های اکسیژن محاصرع می‌شوند. در این حالت گفته می‌شود که یون‌های کلسیم و کلرید آب پوشیده شده‌اند. همانطور که در نمایش شکل مولکولی مشاهده می‌کنید بین بقیه ذرات آب همچنان پیوند هیدروژنی وجود دارد.

حالا به دمای مشخص شده بر دستگاه استیرر دارای سنسور دما، نگاه کنید. مشاهده خواهید کرد که حل شدن یا انحلال آن جامد یونی در آب گرماده هست یا گرماگیر. اگر دما بالا رود قطعاً حل شدن آن جامد یونی در آب گرماده بوده است یعنی گرما داده شده است و اگر دما پایین آید یعنی حل شدن آن جامد یونی در آب گرماگیر بوده است یعنی گرما گرفته شده است. برای جامد کلسیم کلرید، حل شدن این جامد در آب گرماده می‌باشد؛ زیرا دمای محلول، از دمای اولیه ۲۵ درجه سانتیگراد به دمای پایانی ۴۱ درجه سانتیگراد می‌رسد.

از منوی بالای صفحه، ساخت بسته را انتخاب کنید. با انتخاب ساخت بسته به قسمت دوم شبیه ساز وارد می‌شوید در این بخش، در بالای صفحه، جامدهای یونی در قفسه راست و کیسه‌های پلاستیکی با جنس‌های مختلف بر قفسه چپ قرار دارند. یک جامد یونی و یک کیسه پلاستیکی را انتخاب کرده و بکشید و در محل مناسب قرار دهید. از سمت راستِ پایینِ صفحه می‌توانید مقدار آب داخل کیسه و مقدار جامد یونی که قرار است به کیسه اضافه شود را تغییر دهید. با کلیک بر دکمه شروع (▶️) از پایین، سمت چپ صفحه، مشاهده کنید که چه اتفاقی می‌افتد.

برای تمرین دوباره حجم آب را روی ۱۰۰ میلی لیتر و مقدار CaCl₂ را روی ۱۰ گرم قرار دهید و پلاستیک لاتکس را انتخاب کنید.

دکمه شروع را بزنید. با زدن دکمه شروع مقداری کلسیم کلرید که انتخاب کرده‌اید به آب داخل کیسه لاتکس اضافه می‌شود در همین حالت یک دستگاه دماسنج دیجیتالی یا تِرمومتر، دمای سطح کیسه پلاستیکی را نشان می‌دهد. پس از گذشت مدت زمانی دمای سطح کیسه پلاستیکی تغییر می‌کند. با انتخاب گزینه نمایش اطلاعات از بالای صفحه، نموداری مشاهده می‌کنید که در این نمودار نشان داده شده است که در هر بازه زمانی، دمای سطح کیسه چه تغییری کرده است. با انتخاب گزینه سرعت انتقال حرارت از پایین نمودار مشاهده می‌کنید که کیسه با جنس پلاستیک لاتکس چقدر توانسته است، گرمای حاصل از حل شدن نمک کلسیم کلرید در آب را منتقل کند. همچنین می‌توانید برای هر جامد یونی کیسه‌های مختلف را امتحان کرده و نمودارهای آن را با هم مقایسه کنید. با انتخاب گزینه جدول از بالای نمودار تغییر دما بر حسب زمان و انتقال گرما بر حسب زمان به صورت عددی نمایش داده می‌شود که شما می‌توانید با کلیک بر دکمه ذخیره، این اعداد را به صورت فایل اکسل ذخیره کنید و مانند یک پژوهشگر از مقایسه و بررسی داده‌هایی که به دست آورده‌اید لذت ببرید!!

سوالات آموزشی

1- جامد یونی آمونیوم کلرید از چه یونهایی تشکیل شده است؟

2- انحلال آمونیوم کلرید در آب، گرماده است یا گرماگیر؟ چرا؟

3- با انحلال سدیم برمید در آب، یونهای برمید توسط چه اتم هایی محاصره می شوند؟ چرا؟

4- کدام نوع پلاستیک، گرمای حاصل از حل شدن سدیم استات را بهتر نمایش می دهد؟