المحاضرة الثامنة عشر / الذوبانية النوع الثاني مهم جدا

الذوبانية، المحلول المشبع، والحاصل الأيوني للترسيب

أولًا: ما المقصود بالذوبانية؟

الذوبانية (Solubility) هي قدرة مادة على الذوبان في مذيب معين عند درجة حرارة وضغط محددين، لتكوين محلول متجانس. وغالبًا ما تُقاس الذوبانية بوحدة مول/لتر (mol/L) أو غرام/100 mL.
وتُعبّر عن أقصى كمية من المادة يمكن أن تذوب قبل الوصول إلى حالة الاتزان.

ثانيًا: أنواع المحاليل حسب درجة التشبع

لفهم الذوبانية، يجب أولًا معرفة أنواع المحاليل حسب كمية المذاب:

1. محلول غير مشبع (Unsaturated):

يحتوي على كمية من المذاب أقل من الحد الأقصى.
يمكن إذابة المزيد من المذاب فيه دون أن يحدث ترسيب.

2. محلول مشبع (Saturated):

يحتوي على أقصى كمية ممكنة من المذاب في درجة حرارة معينة.
يكون في حالة اتزان بين المادة الذائبة والمترسبة.

3. محلول فوق مشبع (Supersaturated):

يحتوي على كمية أكبر من المذاب مما يمكن للمذيب أن يذيب عند ظروف معينة.
وهو غير مستقر، ويمكن أن يحدث ترسيب بمجرد التحريك أو إضافة بلورة من المذاب.

ثالثًا: الذوبانية والتفكك الأيوني

عندما تذوب مادة أيونية في الماء، تنفصل إلى أيوناتها المكوِّنة.
على سبيل المثال:

$$\text{AgCl (s)} \rightleftharpoons \text{Ag}^+ (aq) + \text{Cl}^- (aq)$$

هنا:

• المادة الصلبة (AgCl) لا تختفي تمامًا.
• عملية الذوبان تتوقف عند الاتزان.
• التركيزات الأيونية تبقى ثابتة عند درجة معينة، مما يعني وجود حالة اتزان أيوني.

رابعًا: حاصل الإذابة (Ksp)

Ksp هو ثابت الاتزان لتفاعل الذوبان، ويُطلق عليه حاصل الإذابة.
يعبّر عن العلاقة بين تركيز الأيونات الناتجة عند الاتزان:

$$K_{sp} = [\text{الكاتيون}]^x [\text{الأنيون}]^y$$

مثال:

$$\text{CaF}_2 (s) \rightleftharpoons \text{Ca}^{2+} + 2\text{F}^-$$ $$K_{sp} = [\text{Ca}^{2+}] \cdot [\text{F}^-]^2$$

كلما كانت قيمة Ksp أكبر، كانت الذوبانية أعلى.

خامسًا: كيفية حساب الذوبانية من Ksp

إذا كان Ksp معروفًا، يمكن حساب الذوبانية المولية (S).

مثال:

$$\text{PbI}_2 \rightleftharpoons \text{Pb}^{2+} + 2\text{I}^-$$

• [Pb²⁺] = S
• [I⁻] = 2S

$$K_{sp} = S \cdot (2S)^2 = 4S^3 \Rightarrow S = \sqrt[3]{\frac{K_{sp}}{4}}$$

سادسًا: الحاصل الأيوني (Qsp) ومقارنته مع Ksp

Qsp هو الحاصل الأيوني الفعلي لتركيز الأيونات في لحظة معينة، ويُستخدم لمعرفة هل يحدث ترسيب أم لا.

حالات المقارنة:

• إذا Qsp < Ksp → المحلول غير مشبع، لا ترسيب.
• إذا Qsp = Ksp → المحلول مشبع، اتزان، لا ترسيب.
• إذا Qsp > Ksp → المحلول فوق مشبع، يحدث ترسيب.

سابعًا: أمثلة توضيحية

مثال 1: هل يحدث ترسيب؟

عند خلط محلولين يحتويان على:

• [Ba²⁺] = 1.0 × 10⁻³ mol/L
• [SO₄²⁻] = 2.0 × 10⁻⁴ mol/L
  وعلمًا أن:

$$K_{sp}(\text{BaSO}_4) = 1.1 \times 10^{-10}$$

نحسب:

$$Q_{sp} = [\text{Ba}^{2+}] \cdot [\text{SO}_4^{2-}] = (1.0 \times 10^{-3}) \cdot (2.0 \times 10^{-4}) = 2.0 \times 10^{-7}$$ $$Q_{sp} > K_{sp} \Rightarrow \text{يوجد ترسيب}$$

ثامنًا: تأثير الأيون المشترك

عند وجود أحد الأيونات الناتجة في المحلول (مثلاً من مصدر آخر)، فإنه يقلل من ذوبان الملح بسبب مبدأ لوشاتيلييه.

مثال:

$$\text{AgCl (s)} \rightleftharpoons \text{Ag}^+ + \text{Cl}^-$$

إضافة NaCl → زيادة [Cl⁻] → انزياح نحو اليسار → انخفاض الذوبانية

تاسعًا: أهمية الذوبانية في الحياة

1. في التحاليل الكيميائية:
   • تستخدم للتمييز بين الأيونات عن طريق ترسيبها.
2. في الطب:
   • بعض الأدوية يجب أن تكون ذائبة في سوائل الجسم لتعمل بكفاءة.
3. في البيئة:
   • يحدد ذوبان الأملاح مدى انتقال المعادن أو السموم في المياه الجوفية.
4. في الصناعة:
   • التحكم في الترسيب مهم في أنظمة معالجة المياه.

عاشرًا: عوامل تؤثر في الذوبانية

• درجة الحرارة:
  عادةً، الذوبانية تزداد بارتفاع درجة الحرارة (ما عدا بعض الأملاح).
• الضغط:
  يؤثر على ذوبان الغازات فقط، وليس الأملاح الصلبة.
• الطبيعة الكيميائية للمذيب والمذاب:
  “المذيب يذيب الشبيه” (مثلًا: الأملاح القطبية تذوب في الماء لأنه قطبي).
• وجود أيون مشترك:
  كما ذكرنا، يقلل من الذوبانية.

ملاحظات مهمة:

• Ksp يُستخدم فقط للمواد قليلة الذوبان.
• Ksp لا يتغير إلا بتغير درجة الحرارة.
• لا يمكن مقارنة Ksp لمركبين مباشرة ما لم تكن النسبة الستوكيومترية متشابهة.

خاتمة

تعد مفاهيم الذوبانية، المحلول المشبع، والحاصل الأيوني للترسيب من الأسس المحورية في فهم الكيمياء التحليلية والتفاعلات في المحاليل. تساعد هذه المفاهيم في التنبؤ بما إذا كان سيحدث ترسيب لمادة معينة، كما توفّر أساسًا للتحكم في تركيز الأيونات في البيئات الصناعية والطبية والبيئية. كما أن استخدامها في مقارنة Qsp وKsp يجعل من الممكن فهم واستغلال التفاعلات الكيميائية في حياتنا اليومية والعلمية بشكل فعّال.