تصنيف المحاليل وطرق التعبير عن تركيزها

 تصنيف المحاليل وطرق التعبير عن تركيزها

مقدمة عن المحاليل

المحلول هو خليط متجانس يتكون من مادتين أو أكثر:

• المذاب (Solute): المادة التي تذوب وتتواجد بكمية أقل في المحلول.

• المذيب (Solvent): المادة التي تذيب المذاب وتتواجد بكمية أكبر في المحلول.

تنتشر جسيمات المذاب (جزيئات أو أيونات أو ذرات) بانتظام بين جسيمات المذيب، مما يؤدي إلى تكوين خليط متجانس لا يمكن فصل مكوناته بالطرق الفيزيائية البسيطة مثل الترشيح.

تصنيف المحاليل

يمكن تصنيف المحاليل بناءً على عدة معايير، أهمها:

1. بناءً على الحالة الفيزيائية للمذيب والمذاب:

• المحاليل الغازية: يكون المذيب والمذاب في الحالة الغازية.

  • مثال: الهواء (محلول غازي من النيتروجين كمذيب والأكسجين وغازات أخرى كمذاب).

• المحاليل السائلة: يكون المذيب في الحالة السائلة. يمكن أن يكون المذاب في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية.

  • مثال:

    • صلب في سائل: ملح الطعام في الماء (محلول ملحي).

    • سائل في سائل: الكحول في الماء (محلول كحولي).

    • غاز في سائل: المشروبات الغازية (ثاني أكسيد الكربون في الماء).

• المحاليل الصلبة: يكون المذيب في الحالة الصلبة. يمكن أن يكون المذاب في الحالة الصلبة أو السائلة أو الغازية.

  • مثال:

    • صلب في صلب: السبائك المعدنية مثل النحاس الأصفر (محلول صلب من النحاس والزنك).

    • سائل في صلب: الزئبق في الفضة (ملغم الأسنان).

    • غاز في صلب: الهيدروجين في البلاديوم.

2. بناءً على حجم جسيمات المذاب:

• المحاليل الحقيقية (True Solutions): تكون جسيمات المذاب صغيرة جدًا (أيونات أو جزيئات صغيرة) ولا يمكن رؤيتها بالعين المجردة أو حتى بالمجهر العادي. تنتشر الجسيمات بانتظام في المذيب ولا تترسب بمرور الوقت.

  • مثال: محلول السكر في الماء، محلول الملح في الماء.

  • خصائص:

    • متجانسة تمامًا.

    • لا يمكن فصل مكوناتها بالترشيح العادي.

    • لا تشتت الضوء (لا تظهر تأثير تيندال).

• المحاليل الغروية (Colloids): تكون جسيمات المذاب أكبر من جسيمات المحاليل الحقيقية ولكنها لا تزال صغيرة جدًا بحيث لا تترسب بسهولة. تتراوح أحجامها بين 1 نانومتر و 1 ميكرومتر.

  • مثال: الحليب، الضباب، الغراء، الدم.

  • خصائص:

    • تبدو متجانسة بالعين المجردة ولكنها غير متجانسة على المستوى المجهري.

    • تشتت الضوء (تظهر تأثير تيندال).

    • لا تترسب بسهولة بسبب حركة براون وتأثيرات الشحنات السطحية.

• المعلقات (Suspensions): تكون جسيمات المذاب كبيرة نسبيًا (أكبر من 1 ميكرومتر) ويمكن رؤيتها بالعين المجردة. تترسب جسيمات المذاب بمرور الوقت تحت تأثير الجاذبية.

  • مثال: الرمل في الماء، الطين في الماء، أدوية الشراب المعلقة.

  • خصائص:

    • غير متجانسة.

    • يمكن فصل مكوناتها بالترشيح.

    • تترسب جسيمات المذاب بمرور الوقت.

3. بناءً على تركيز المذاب:

• المحاليل المخففة (Dilute Solutions): تحتوي على كمية قليلة نسبيًا من المذاب مقارنة بالمذيب.

• المحاليل المركزة (Concentrated Solutions): تحتوي على كمية كبيرة نسبيًا من المذاب مقارنة بالمذيب.

• المحاليل المشبعة (Saturated Solutions): تحتوي على أقصى كمية ممكنة من المذاب يمكن أن تذوب في كمية معينة من المذيب عند درجة حرارة وضغط معينين. يكون هناك توازن ديناميكي بين المذاب الذائب والمذاب الصلب غير الذائب.

• المحاليل غير المشبعة (Unsaturated Solutions): تحتوي على كمية من المذاب أقل من الكمية اللازمة للوصول إلى حالة الإشباع عند درجة حرارة وضغط معينين. يمكن إضافة المزيد من المذاب ليذوب.

• المحاليل فوق المشبعة (Supersaturated Solutions): تحتوي على كمية من المذاب أكبر من الكمية اللازمة للإشباع عند درجة حرارة وضغط معينين. هذه المحاليل غير مستقرة ويمكن أن يترسب المذاب الزائد بسهولة عند إضافة بلورة صغيرة من المذاب أو بإجراء اهتزاز أو تغيير بسيط في الظروف.

4. بناءً على التوصيل الكهربائي:

• المحاليل الإلكتروليتية (Electrolytic Solutions): تحتوي على أيونات حرة متحركة (ناتجة عن تأين أو تفكك المذاب) وتوصل التيار الكهربائي.

  • مثال: محاليل الأملاح (مثل كلوريد الصوديوم في الماء)، محاليل الأحماض (مثل حمض الهيدروكلوريك في الماء)، محاليل القواعد (مثل هيدروكسيد الصوديوم في الماء).

  • أنواع:

    • إلكتروليتات قوية: تتأين أو تتفكك بشكل كامل في الماء، مما ينتج عنه تركيز عالٍ من الأيونات، وبالتالي توصيل كهربائي قوي. (مثل الأملاح القوية والأحماض والقواعد القوية).

    • إلكتروليتات ضعيفة: تتأين أو تتفكك بشكل جزئي في الماء، مما ينتج عنه تركيز منخفض من الأيونات، وبالتالي توصيل كهربائي ضعيف. (مثل الأحماض والقواعد الضعيفة).

• المحاليل غير الإلكتروليتية (Non-electrolytic Solutions): لا تحتوي على أيونات حرة متحركة ولا توصل التيار الكهربائي. يكون المذاب في صورة جزيئات متعادلة كهربائيًا.

  • مثال: محلول السكر في الماء، محلول الكحول في الماء، محلول اليوريا في الماء.

طرق التعبير عن تركيز المحاليل

يُعبر عن تركيز المحلول بكمية المذاب الموجودة في كمية معينة من المذيب أو المحلول. هناك عدة طرق للتعبير عن التركيز، أهمها:

1. المولارية (Molarity - M):

• التعريف: عدد مولات المذاب الموجودة في لتر واحد من المحلول.

• الوحدة: مول/لتر (mol/L) أو مولار (M).

• القانون:

        المولارية (M) = عدد مولات المذاب (n) / حجم المحلول باللتر (V)
  
  

• الاستخدام: شائعة الاستخدام في المختبرات الكيميائية والتفاعلات الكيميائية الحسابية.

• ملاحظات: تتأثر المولارية بتغير درجة الحرارة لأن حجم المحلول يتغير مع درجة الحرارة.

2. المولالية (Molality - m):

• التعريف: عدد مولات المذاب الموجودة في كيلوغرام واحد من المذيب.

• الوحدة: مول/كيلوغرام (mol/kg) أو مولال (m).

• القانون:

        المولالية (m) = عدد مولات المذاب (n) / كتلة المذيب بالكيلوغرام (mass of solvent in kg)
  
  

• الاستخدام: تستخدم غالبًا في دراسة الخواص التجميعية للمحاليل (مثل ارتفاع نقطة الغليان وانخفاض نقطة التجمد) لأنها لا تتأثر بتغير درجة الحرارة (الكتلة لا تتغير مع درجة الحرارة).

• ملاحظات: المولالية لا تتأثر بتغير درجة الحرارة.

3. العيارية (Normality - N):

• التعريف: عدد المكافئات الغرامية للمذاب الموجودة في لتر واحد من المحلول.

• الوحدة: مكافئ/لتر (eq/L) أو عياري (N).

• القانون:

        العيارية (N) = عدد المكافئات الغرامية للمذاب / حجم المحلول باللتر (V)
  
  

• المكافئ الغرامي (Equivalent weight): هو كتلة المادة التي تعادل أو تتفاعل مع مول واحد من أيونات الهيدروجين (H⁺) في تفاعلات الحموض والقواعد أو مول واحد من الإلكترونات في تفاعلات الأكسدة والاختزال.

  • للحمض: المكافئ الغرامي = الكتلة المولية / عدد أيونات H⁺ القابلة للاستبدال.

  • للقاعدة: المكافئ الغرامي = الكتلة المولية / عدد أيونات OH⁻ القابلة للاستبدال.

  • للملح: المكافئ الغرامي = الكتلة المولية / عدد الشحنات الموجبة أو السالبة الكلية للأيونات.

• الاستخدام: كانت تستخدم بشكل شائع في التحليل الحجمي (المعايرة) في الكيمياء الكلاسيكية، ولكن استخدامها قل تدريجيًا لصالح المولارية.

• ملاحظات: تعتمد العيارية على نوع التفاعل الكيميائي الذي يتم دراسته.

4. النسبة المئوية الكتلية (% بالكتلة - Mass Percentage):

• التعريف: كتلة المذاب كنسبة مئوية من كتلة المحلول الكلية.

• الوحدة: %.

• القانون:

        النسبة المئوية الكتلية (%) = (كتلة المذاب / كتلة المحلول) × 100%
  
  

• الاستخدام: شائعة الاستخدام في الصناعات والصيدلة والتطبيقات اليومية.

• ملاحظات: لا تتأثر بتغير درجة الحرارة.

5. النسبة المئوية الحجمية (% بالحجم - Volume Percentage):

• التعريف: حجم المذاب كنسبة مئوية من حجم المحلول الكلي.

• الوحدة: %.

• القانون:

        النسبة المئوية الحجمية (%) = (حجم المذاب / حجم المحلول) × 100%
  
  

• الاستخدام: تستخدم غالبًا للمحاليل السائلة في السائلة، مثل محاليل الكحول.

• ملاحظات: تتأثر بتغير درجة الحرارة لأن حجم السوائل يتغير مع درجة الحرارة. يجب توخي الحذر عند خلط السوائل لأن الحجم قد لا يكون جمعيًا بشكل دقيق.

6. الكسر المولي (Mole Fraction - X):

• التعريف: نسبة عدد مولات مكون معين (مذاب أو مذيب) إلى العدد الكلي لمولات جميع المكونات في المحلول.

• الوحدة: بدون وحدة (نسبة).

• القانون:

        الكسر المولي للمذاب (X_مذاب) = عدد مولات المذاب (n_مذاب) / (عدد مولات المذاب (n_مذاب) + عدد مولات المذيب (n_مذيب))
  
  

  وبالمثل للمذيب:

        الكسر المولي للمذيب (X_مذيب) = عدد مولات المذيب (n_مذيب) / (عدد مولات المذاب (n_مذاب) + عدد مولات المذيب (n_مذيب))
  
  

• الاستخدام: مفيدة في دراسة الخواص التجميعية للمحاليل وفي قوانين الغازات والمخاليط.

• ملاحظات: مجموع الكسور المولية لجميع مكونات المحلول يساوي دائمًا 1.

7. أجزاء في المليون (Parts Per Million - ppm)، أجزاء في البليون (Parts Per Billion - ppb)، أجزاء في التريليون (Parts Per Trillion - ppt):

• التعريف: تستخدم للتعبير عن التراكيز المنخفضة جدًا للمذاب، خاصة الملوثات في البيئة أو الشوائب في المواد الكيميائية.

  • ppm: جزء واحد من المذاب لكل مليون جزء من المحلول.

  • ppb: جزء واحد من المذاب لكل بليون جزء من المحلول.

  • ppt: جزء واحد من المذاب لكل تريليون جزء من المحلول.

• الوحدة: ppm، ppb، ppt (أو يمكن التعبير عنها بوحدات كتلية أو حجمية حسب السياق).

• القانون (بشكل تقريبي للمحاليل المخففة جدًا في الماء):

        ppm ≈ (كتلة المذاب بالميليغرام / كتلة المحلول بالكيلوغرام)
  ppb ≈ (كتلة المذاب بالميكروغرام / كتلة المحلول بالكيلوغرام)
  ppt ≈ (كتلة المذاب بالنانوغرام / كتلة المحلول بالكيلوغرام)
  
  

  أو يمكن استخدام الحجم بدلًا من الكتلة للمحاليل السائلة المخففة.

• الاستخدام: تستخدم في مراقبة جودة المياه والهواء والأغذية، وفي الكيمياء التحليلية لتحديد كميات ضئيلة من المواد.

الخلاصة

تصنيف المحاليل يعتمد على الحالة الفيزيائية، حجم الجسيمات، التركيز، والتوصيل الكهربائي. طرق التعبير عن تركيز المحاليل متنوعة وتستخدم حسب التطبيق والظروف. فهم هذه التصنيفات والطرق ضروري في الكيمياء والعلوم ذات الصلة لفهم سلوك المحاليل والتفاعلات الكيميائية التي تحدث فيها.