المحاضرة السابعة عشر / الذوبانية 10 درجة

الذوبانية والاتزان الأيوني

أولًا: ما المقصود بالذوبانية؟

الذوبانية (Solubility) هي قدرة مادة صلبة على الذوبان في مذيب لتكوين محلول متجانس. وغالبًا ما يكون المذيب هو الماء، وخاصة في الكيمياء العامة. تقاس الذوبانية بوحدة مول/لتر (mol/L) أو غرام/لتر، وهي تعبر عن أقصى كمية من المذاب يمكن أن تذوب في حجم معين من المذيب عند درجة حرارة معينة.

ثانيًا: مفهوم الاتزان الأيوني

عند إذابة مادة أيونية قليلة الذوبان (مثل AgCl أو CaF₂) في الماء، فإن عملية الذوبان لا تكتمل، بل تصل إلى حالة اتزان ديناميكي بين:

• المادة الصلبة غير الذائبة،
• وأيوناتها الموجودة في المحلول.

تُكتب معادلة الذوبان على شكل:

$$\text{MX (s)} \rightleftharpoons \text{M}^{n+} (aq) + \text{X}^{m-} (aq)$$

حيث:

• MX هو الملح الصلب غير الذائب.
• Mⁿ⁺ و Xᵐ⁻ هما الأيونات الناتجة عن الذوبان.

ثالثًا: ثابت حاصل الإذابة (Ksp)

Ksp هو ثابت الاتزان الخاص بتفاعل الذوبان. يُعرف باسم حاصل الإذابة أو حاصل الإتزان للذوبانية. يعبر عن تركيز الأيونات الناتجة عن الذوبان عند الاتزان.

مثلًا، في حالة كلوريد الفضة AgCl:

$$\text{AgCl (s)} \rightleftharpoons \text{Ag}^+ (aq) + \text{Cl}^- (aq)$$ $$K_{sp} = [\text{Ag}^+][\text{Cl}^-]$$

وكلما زادت قيمة Ksp، زادت ذوبانية المركب.

رابعًا: حساب الذوبانية باستخدام Ksp

لنفترض أننا نريد حساب الذوبانية المولية (S) لمركب مثل AgCl، حيث:

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

عند الذوبان:

• تركيز Ag⁺ = S
• تركيز Cl⁻ = S

إذن:

$$K_{sp} = S \times S = S^2 \Rightarrow S = \sqrt{K_{sp}}$$

أما في مركبات مثل BaF₂ التي تنتج أكثر من أيون من نفس النوع:

$$\text{BaF}_2 \rightleftharpoons \text{Ba}^{2+} + 2\text{F}^-$$

• تركيز Ba²⁺ = S
• تركيز F⁻ = 2S

$$K_{sp} = [\text{Ba}^{2+}][\text{F}^-]^2 = S \times (2S)^2 = 4S^3 \Rightarrow S = \sqrt[3]{\frac{K_{sp}}{4}}$$

خامسًا: العوامل المؤثرة في الذوبانية

1. نوع الأيونات الناتجة

• المركبات التي تنتج عددًا أكبر من الأيونات لها تأثير أكبر على Ksp لكنها ليست بالضرورة أكثر ذوبانًا.

2. درجة الحرارة

• غالبًا ما تزداد الذوبانية بارتفاع درجة الحرارة، خاصة للمواد الصلبة في الماء.
• لكن بعض المركبات (مثل Ce₂(SO₄)₃) تقل ذوبانيتها عند التسخين.

3. الضغط

• يؤثر الضغط على ذوبانية الغازات فقط، وليس المواد الصلبة.

4. الأيون المشترك

• وجود أحد الأيونات في المحلول يثبط الذوبان (وفقًا لمبدأ لوشاتيلييه).

مثال: إذا أضفنا NaCl إلى محلول مشبع من AgCl، فإن أيونات Cl⁻ الإضافية تقلل من ذوبان AgCl.

سادسًا: تأثير الأيون المشترك (Common Ion Effect)

عند وجود أيون مشترك في المحلول، ينزاح الاتزان نحو اليسار (تكوين المزيد من المادة الصلبة)، وبالتالي تقل الذوبانية.

مثال:

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

عند إضافة NaCl، فإن [Cl⁻] تزداد → الاتزان ينزاح للخلف → تقل الذوبانية.

سابعًا: مقارنة Q مع Ksp

لحساب ما إذا كان سيحدث ترسيب (precipitation) أم لا، نستخدم:

• Q: حاصل تركيز الأيونات الفعلي في المحلول.
• Ksp: قيمة ثابت الذوبانية.

الحالة:

• إذا Q < Ksp → لا ترسيب، المحلول غير مشبع.
• إذا Q = Ksp → حالة اتزان، محلول مشبع.
• إذا Q > Ksp → يحدث ترسيب.

ثامنًا: التطبيقات العملية للذوبانية والاتزان الأيوني

1. في التحاليل الكيميائية:
   • تستخدم ترسيبات الأملاح في الكشف النوعي عن الأيونات.
2. في الصناعة:
   • التحكم في ذوبانية الأملاح يمنع ترسّبها في الأنابيب والمراجل (مثال: كربونات الكالسيوم في الماء العسر).
3. في الطب والصيدلة:
   • يعتمد امتصاص بعض الأدوية على ذوبانها في سوائل الجسم.
4. في البيئة:
   • تساهم الذوبانية في فهم انتقال المواد الكيميائية في الماء والتربة.

تاسعًا: الذوبانية النسبية بين المركبات

لا تُقارن الذوبانية مباشرة من قيم Ksp فقط، بل يجب مراعاة:

• عدد الأيونات الناتجة.
• الشكل العام للتفاعل.

مثلًا:

$$\text{Ksp لـ Ag₂CrO₄} = 1.1 \times 10^{-12} \Rightarrow \text{Ag₂CrO₄} \rightleftharpoons 2Ag^+ + CrO₄^{2-}$$

هنا:

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

لكن في حالة AgCl:

$$K_{sp} = S^2 \Rightarrow \text{لا يمكن المقارنة المباشرة بين Ksp و S دون التحليل الرياضي}$$

عاشرًا: ملاحظات مهمة

• الذوبانية ≠ Ksp.
  الذوبانية هي كمية المادة التي تذوب، أما Ksp فهو ناتج تركيز الأيونات عند الاتزان.
• بعض الأملاح تكون قليلة الذوبان لكن لها تأثير مهم (مثل AgBr في التصوير الضوئي).
• الذوبانية تختلف باختلاف المذيب، وليس الماء فقط.

خاتمة

الذوبانية والاتزان الأيوني من المواضيع الأساسية في الكيمياء التي توضح كيفية إذابة الأملاح وكيفية تأثير العوامل المختلفة على اتزان المحاليل. فهم هذا الموضوع ضروري في العديد من التطبيقات العلمية والعملية، من التحاليل الكيميائية إلى الصناعة والطب. كما أن استخدام Ksp وتمثيل الاتزان الأيوني يوفران وسيلة دقيقة للتنبؤ بحدوث الترسيب أو بقاء المحلول مستقرًا.