خلاصه درس فصل ۳ شیمی دهم؛ درسنامه و نکات مهم

وقتی نمک در آب حل می‌شود، محلول به دست می‌آید؛ آب حلال و نمک حل‌شونده است. برای شناخت محلول فقط نام این دو کافی نیست؛ باید بدانیم چه مقدار حل‌شونده در مقدار معینی از محلول وجود دارد. این همان چیزی است که غلظت بیان می‌کند.

مثلاً برای مقایسهٔ شیرینی دو لیوان شربت، فقط مقدار شکر کافی نیست؛ مقدار شربت هم مهم است. شکر بیشتر در یک ظرف بسیار بزرگ، لزوماً شربت غلیظ‌تری نمی‌سازد. در ادامه، برای بیان غلظت از نسبت جرم حل‌شونده به جرم کل محلول استفاده می‌کنیم. یادت باشد جرم محلول شامل جرم حلال و حل‌شونده با هم است.

وقتی مقدار حل‌شونده بسیار کم است، نوشتن جرم آن با عددهای اعشاری کوچک، خواندن و مقایسه را دشوار می‌کند. «قسمت در میلیون» با نماد $\mathrm{ppm}$ راهی ساده‌تر برای بیان این غلظت‌هاست؛ مثل مقدار بعضی یون‌های موجود در آب آشامیدنی.

در بیان جرمی، تصور کن یک میلیون قسمت هم‌جرم از محلول داریم. غلظت قسمت در میلیون می‌گوید چند قسمت از این مجموعه، حل‌شونده است. بنابراین غلظت $2\,\mathrm{ppm}$ یعنی در هر $10^6\,\mathrm{g}$ محلول، $2\,\mathrm{g}$ حل‌شونده وجود دارد. لازم نیست واقعاً چنین جرم بزرگی از محلول داشته باشیم؛ این عدد فقط نسبت را نشان می‌دهد و برای یک نمونهٔ کوچک هم معنا دارد.

برای محاسبه، جرم حل‌شونده را بر جرم کل محلول تقسیم می‌کنیم و حاصل را در یک میلیون ضرب می‌کنیم:

$\mathrm{ppm}=\dfrac{\text{جرم حل‌شونده}}{\text{جرم محلول}}\times10^6$

پیش از جای‌گذاری، یکای دو جرم را یکسان کن. اگر جرم یون به میلی‌گرم و جرم نمونه به گرم داده شده، می‌توانی میلی‌گرم را به گرم تبدیل کنی: $1\,\mathrm{mg}=10^{-3}\,\mathrm{g}$. می‌توان هر دو جرم را به میلی‌گرم هم نوشت؛ مهم یکسان بودن یکاهاست.

دو نکته جلوی بیشتر اشتباه‌ها را می‌گیرد: مخرج، جرم محلول است، نه فقط آب؛ و اگر جرم آب و حل‌شونده جداگانه داده شوند، برای یافتن جرم محلول باید آن‌ها را جمع کرد. اما وقتی جرم خودِ نمونهٔ محلول داده شده، دوباره جرم حل‌شونده را به آن اضافه نکن.

دریا فقط آب نیست؛ مقدار زیادی مادهٔ حل‌شده هم در آن وجود دارد. برای استفاده از این مواد، باید آن‌ها را از آب جدا کنیم. یکی از روش‌های مهم برای جداسازی سدیم کلرید، تبلور است: یعنی حل‌شونده از محلول به شکل بلور جامد جدا شود.

در حوضچه‌های استخراج نمک، تبخیر باعث کم شدن آب می‌شود. با ادامهٔ این فرایند و فراهم شدن شرایط، بلورهای نمک تشکیل می‌شوند و می‌توان آن‌ها را جمع‌آوری کرد. پس تبخیر و تبلور یک معنا ندارند: تبخیر به خارج شدن آب مربوط است و تبلور به جدا شدن حل‌شونده به شکل بلور. همچنین آنچه از آب دریا باقی می‌ماند، لزوماً فقط یک نوع نمک نیست؛ آب دریا مواد حل‌شدهٔ گوناگونی دارد.

وقتی نام نمک خوراکی را می‌شنویم، معمولاً به غذا فکر می‌کنیم؛ اما سدیم کلرید، با فرمول $\mathrm{NaCl}$، کاربردهای بسیار گسترده‌تری دارد. از آن در فراوری مواد غذایی، تهیهٔ خمیر کاغذ و تولید موادی مانند گاز کلر و سود سوزآور استفاده می‌شود. پاشیدن نمک روی جاده‌های یخ‌زده نیز یکی دیگر از کاربردهای آن است. پس یک مادهٔ آشنا می‌تواند هم در خانه و هم در کارخانه اهمیت داشته باشد.

دریا منبع مواد ارزشمند دیگری هم هست؛ برای نمونه، می‌توان منیزیم را از مواد موجود در آب دریا به دست آورد. منیزیم در تهیهٔ آلیاژها کاربرد دارد و ترکیب‌های آن در بعضی داروها، مانند شربت معده، استفاده می‌شوند. توجه کن که مصرف دارویی ترکیب‌های منیزیم به معنای خوردن خود فلز منیزیم نیست.

برای استفاده از یک محلول، فقط شناختن حل‌شونده کافی نیست؛ باید بدانیم چه مقدار از آن در محلول وجود دارد. یکی از راه‌های بیان غلظت، درصد جرمی است. مثلاً سرکهٔ دارای $5$ درصد جرمی استیک اسید، در هر $100\,\mathrm{g}$ محلول، $5\,\mathrm{g}$ استیک اسید دارد. دقت کن که جرم محلول شامل جرم حل‌شونده و حلال است.

اما در کار آزمایشگاهی، اندازه‌گیری حجم مایع معمولاً از تعیین جرم آن آسان‌تر است؛ مثلاً می‌توان حجم را با استوانهٔ مدرج خواند. از طرف دیگر، شیمیدان‌ها برای بیان مقدار ماده از مول استفاده می‌کنند. بنابراین، بیان غلظت با ارتباط دادن مقدار مولی حل‌شونده به حجم محلول بسیار کاربردی است؛ این شیوه را غلظت مولی یا مولار می‌نامیم. حجم محلول را با حجم حلال اشتباه نگیر؛ منظور، حجم مخلوط نهایی است.

فرض کن می‌خواهی دو محلول را مقایسه کنی. دانستن مقدار حل‌شونده به‌تنهایی کافی نیست؛ باید بدانی این مقدار در چه حجمی از محلول قرار دارد. غلظت مولی این دو اطلاعات را کنار هم می‌گذارد:

$M=\frac{n}{V}$

در این رابطه، $n$ مقدار حل‌شونده برحسب $\mathrm{mol}$ و $V$ حجم کل محلول برحسب $\mathrm{L}$ است. یکای غلظت مولی $\mathrm{mol\,L^{-1}}$ است که مولار هم نامیده می‌شود. پیش از جای‌گذاری، حجم برحسب میلی‌لیتر را به لیتر تبدیل کن.

محلول $1$ مولار یعنی هر $1\,\mathrm{L}$ از آن، $1\,\mathrm{mol}$ حل‌شونده دارد؛ نه اینکه تمام ظرف حتماً همین مقدار ماده داشته باشد. با افزودن آب، مقدار حل‌شونده ثابت می‌ماند ولی حجم بیشتر و محلول رقیق‌تر می‌شود. در مقایسۀ محلول‌هایی با حجم یکسان نیز، هرکدام مول بیشتری از حل‌شونده داشته باشد، غلیظ‌تر است.

آیا می‌توان هر مقدار نمک را در یک لیوان آب حل کرد؟ نه؛ در دمای معین، حل‌شدن هر ماده حدی دارد. انحلال‌پذیری یعنی بیشترین جرم حل‌شونده‌ای که در $100\,\mathrm{g}$ حلال و در دمای معین حل می‌شود. پس هنگام مقایسه، هم مقدار حلال و هم دما باید مشخص باشند.

محلولی که به این حد رسیده، سیرشده است؛ محلولی که هنوز می‌تواند حل‌شوندۀ بیشتری حل کند، سیرنشده است. اگر به محلول سیرشده باز هم همان جامد را اضافه کنیم، مقدار اضافی در آن شرایط حل نمی‌شود.

تفاوت مواد بسیار زیاد است: در $25^\circ\mathrm{C}$، انحلال‌پذیری سدیم کلرید $36\,\mathrm{g}$ و کلسیم سولفات فقط $0.23\,\mathrm{g}$ در $100\,\mathrm{g}$ آب است. دقت کن: مبنای انحلال‌پذیری جرم حلال است، اما مخرج غلظت مولی حجم محلول بود؛ این دو را جابه‌جا نکن.

حالا می‌توانیم معنی «محلول»، «کم‌محلول» و «نامحلول» را دقیق‌تر بفهمیم. در دسته‌بندی کتاب، مقدار حل‌شدن در $100\,\mathrm{g}$ آب و دمای اتاق ملاک است: بیشتر از $1\,\mathrm{g}$، محلول؛ بین $0.01\,\mathrm{g}$ و $1\,\mathrm{g}$، کم‌محلول؛ و تا حدود $0.01\,\mathrm{g}$، نامحلول محسوب می‌شود. پس «نامحلول» لزوماً به معنی حل‌نشدن حتی کوچک‌ترین مقدار نیست.

این محدودیت در بدن هم اهمیت دارد. اگر مقدار برخی نمک‌های کلسیم‌دار از حد قابل‌حل در ادرار فراتر برود، امکان رسوب و تشکیل سنگ کلیه فراهم می‌شود. در نقرس نیز رسوب نمک سدیم اورات در مفاصل درد ایجاد می‌کند. بنابراین، فقط وجود یک نمک در مایع بدن مسئله نیست؛ مقدار آن نسبت به حد انحلال‌پذیری در همان شرایط اهمیت دارد. البته تشکیل این بیماری‌ها عوامل دیگری هم دارد و تنها با این مفهوم توضیح داده نمی‌شود.

انحلال‌پذیری فقط به نوع ماده وابسته نیست؛ دما هم مهم است. نمودار انحلال‌پذیری ــ دما از اندازه‌گیری‌های تجربی ساخته می‌شود. برای خواندن آن، از دمای موردنظر روی محور افقی به منحنی نمک برس و مقدار انحلال‌پذیری را از محور عمودی بخوان.

منحنی صعودی یعنی با گرم‌شدن، مقدار بیشتری حل می‌شود؛ منحنی نزولی یعنی مقدار قابل‌حل کاهش می‌یابد. هرچه منحنی کم‌شیب‌تر باشد، وابستگی انحلال‌پذیری به دما کمتر است. بنابراین نمی‌توان گفت گرم‌کردن همیشه به حل‌شدن بیشتر کمک می‌کند.

اگر داده‌های جدول تقریباً روی یک خط باشند، می‌توان رابطه‌ای مانند $S=a\theta+b$ نوشت. در این رابطه، $a$ تغییر انحلال‌پذیری به‌ازای تغییر دما و $b$ مقدار انحلال‌پذیری در $0^\circ\mathrm{C}$ است. داده‌های سدیم نیترات در صفحۀ ۱۰۳ با رابطۀ $S=0.8\theta+72$ توصیف می‌شوند؛ در آن، دما برحسب درجۀ سلسیوس و انحلال‌پذیری برحسب گرم حل‌شونده در $100\,\mathrm{g}$ آب است. تعمیم چنین رابطه‌ای به دماهای دور از داده‌ها نیاز به احتیاط دارد.

آب در طبیعت به صورت یخ، آب مایع و بخار دیده می‌شود؛ اما شگفتی‌هایش به همین محدود نیست. مثلاً هنگام یخ زدن حجمش بیشتر می‌شود و می‌تواند بسیاری از مواد را در خود حل کند. برای فهمیدن این رفتارها باید به جای یک لیوان آب، به یک مولکول آب نگاه کنیم.

مولکول آب، $\mathrm{H_2O}$، صاف و خطی نیست؛ شکلی خمیده، مانند حرف $V$ دارد. اکسیژن اتم مرکزی است و هر اتم هیدروژن با یک پیوند اشتراکی یگانه به آن وصل شده است. هم نوع اتم‌ها و هم چگونگی قرار گرفتن آنها در کنار یکدیگر، در رفتار آب نقش دارند.

در مولکول آب، سمت اکسیژن اندکی منفی و سمت هیدروژن‌ها اندکی مثبت است. این به معنی تبدیل شدن اتم‌ها به یون‌های جداگانه نیست؛ کل مولکول همچنان خنثی است، اما دو سر با ویژگی الکتریکی متفاوت دارد.

وقتی آب در میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، مولکول‌هایش می‌چرخند: سرِ مثبت به سوی بار منفی و سرِ منفی به سوی بار مثبت قرار می‌گیرد. به چنین مولکول‌هایی قطبی یا دوقطبی می‌گوییم. همین رفتار به فهم انحراف باریکهٔ آب کنار شانهٔ باردار کمک می‌کند.

در مقابل، مولکول‌های اکسیژن، $\mathrm{O_2}$، کربن دی‌اکسید، $\mathrm{CO_2}$، و متان، $\mathrm{CH_4}$، در میدان جهت‌گیری مشخصی پیدا نمی‌کنند و ناقطبی نامیده می‌شوند. پس داشتن اتم‌های متفاوت، به‌تنهایی برای قطبی دانستن یک مولکول کافی نیست.

مولکول‌ها فقط از میدان الکتریکی تأثیر نمی‌گیرند؛ به یکدیگر هم نیرو وارد می‌کنند. جاذبه‌هایی که میان مولکول‌ها وجود دارد، نیروهای بین‌مولکولی نام دارد. این نیروها را با پیوند اشتراکی میان اتم‌های یک مولکول اشتباه نگیر.

برای جوشیدن یک مایع، مولکول‌ها باید از کنار یکدیگر دور شوند. هرچه جاذبهٔ میان آنها قوی‌تر باشد، این جدایی به انرژی بیشتری نیاز دارد و نقطهٔ جوش بالاتر می‌رود؛ قرار نیست هنگام جوشیدن، پیوندهای درون مولکول شکسته شوند.

در مقایسهٔ مواد مولکولی با جرم مولی مشابه، مادهٔ قطبی معمولاً نقطهٔ جوش بالاتری دارد. پس برای مقایسهٔ اثر قطبیت، ابتدا باید مطمئن شویم تفاوت جرم مولی عامل اصلی مقایسه نیست.

ناقطبی بودن یعنی نداشتن جهت‌گیری مشخص در میدان، نه نداشتن جاذبهٔ بین‌مولکولی. کلر، $\mathrm{Cl_2}$، برم، $\mathrm{Br_2}$، و ید، $\mathrm{I_2}$، همگی مولکول‌های ناقطبی دارند؛ بااین‌حال در دمای $25^\circ\mathrm{C}$ به‌ترتیب گاز، مایع و جامدند.

در این گروه، با افزایش جرم مولی از کلر به ید، جاذبه‌های بین‌مولکولی قوی‌تر می‌شوند و دمای جوش افزایش می‌یابد. بنابراین برای مقایسهٔ نیروها، فقط به قطبی یا ناقطبی بودن نگاه نکن؛ جرم مولی هم مهم است.

در گاز، مولکول‌ها از هم دورترند و برهم‌کنش کمتری دارند؛ در مایع نزدیک‌ترند و در جامد مولکولی، جاذبه‌ها آنها را کنار هم نگه می‌دارند. این تصویر کمک می‌کند تفاوت حالت این سه ماده را بفهمیم.

برای شروع، دو نوع اتصال را از هم جدا کن: پیوند اشتراکی، اتم‌های داخل یک مولکول را به هم وصل می‌کند؛ نیروی بین‌مولکولی میان مولکول‌های جدا از هم اثر می‌گذارد. مثلاً در آب، پیوند اکسیژن با هیدروژن درون هر مولکول است، اما جاذبهٔ یک مولکول آب با همسایه‌اش بین‌مولکولی است.

در گاز، مولکول‌ها معمولاً از هم دورند و برهم‌کنش کمی دارند. در مایع، بیشتر کنار هم می‌مانند و در جامد مولکولی، جای آن‌ها محدودتر است. جنس مولکول هم مهم است: میزان قطبی بودن و جرم مولکول بر این جاذبه‌ها اثر دارند. پس برای توضیح حالت فیزیکی، فقط نگاه کردن به فرمول شیمیایی کافی نیست.

آب و هیدروژن سولفید، با فرمول‌های $\mathrm{H_2O}$ و $\mathrm{H_2S}$، هر دو مولکول‌هایی خمیده و قطبی دارند. با این حال، در فشار $1\,\mathrm{atm}$، آب در $100^\circ\mathrm{C}$ می‌جوشد، ولی هیدروژن سولفید در $-60^\circ\mathrm{C}$! این تفاوت با توجه به جرم مولی کمتر آب، چشمگیر است.

برای مقایسهٔ میزان قطبیت از کمیتی به نام گشتاور دوقطبی استفاده می‌کنیم؛ هرچه بزرگ‌تر باشد، مولکول قطبی‌تر است. مقدار آن برای آب $1.85\,\mathrm{D}$ و برای هیدروژن سولفید $0.97\,\mathrm{D}$ است. پس «قطبی بودن» فقط یک برچسب بله یا خیر نیست؛ شدت آن هم اهمیت دارد. جاذبهٔ زیاد میان مولکول‌های آب کمک می‌کند آب در دمای اتاق مایع بماند.

در مولکول آب، سمت هیدروژن‌ها بار جزئی مثبت و سمت اکسیژن بار جزئی منفی دارد. بنابراین هیدروژنِ یک مولکول به اکسیژنِ مولکول همسایه جذب می‌شود. این جاذبهٔ قوی بین‌مولکولی را پیوند هیدروژنی می‌نامیم؛ آن را با پیوند اشتراکی اکسیژن و هیدروژن درون مولکول اشتباه نگیر.

برای تشخیص امکان تشکیل این پیوند میان مولکول‌های یک ماده، بررسی کن که آیا هیدروژن مستقیماً با پیوند اشتراکی به $\mathrm{F}$، $\mathrm{O}$ یا $\mathrm{N}$ وصل است. آب، هیدروژن فلوئورید و آمونیاک چنین ویژگی‌ای دارند. پس داشتن هیدروژن به‌تنهایی کافی نیست. در تقسیم‌بندی این درس، جاذبه‌های بین‌مولکولیِ غیر از پیوند هیدروژنی را نیروهای وان‌دروالس می‌نامیم.

یک مولکول آب هنگام تبدیل شدن آب به یخ یا بخار، همچنان مولکول $\mathrm{H_2O}$ باقی می‌ماند. آنچه تغییر می‌کند، بیشتر آرایش و ارتباط مولکول‌ها با یکدیگر است، نه هویت شیمیایی آن‌ها.

در بخار، مولکول‌ها جدا از هم و آزادانه در حرکت‌اند؛ در مدل سادهٔ کتاب، گویی پیوند هیدروژنی میان آن‌ها وجود ندارد. در آب مایع، پیوند هیدروژنی برقرار است، اما مولکول‌ها می‌توانند روی هم بلغزند و جابه‌جا شوند. در یخ، مولکول‌ها جایگاه‌های نسبتاً ثابتی دارند و آرایششان منظم است. در این ساختار، هر اکسیژن به دو هیدروژن با پیوند اشتراکی و به دو هیدروژن دیگر با پیوند هیدروژنی متصل است. پس روان بودن آب به معنی نبودن جاذبه نیست.

در یخ، مولکول‌های آب شبکه‌ای سه‌بعدی می‌سازند که حلقه‌های شش‌ضلعی دارد. نکتهٔ مهم، فضاهای خالی منظم این شبکه است؛ مولکول‌ها در یخ به فشردگی آب مایع کنار هم قرار نمی‌گیرند.

پس وقتی جرم معینی آب یخ می‌زند، حجم آن بیشتر می‌شود. با رابطهٔ $\rho=\frac{m}{V}$ می‌بینیم که افزایش حجم در جرم ثابت، چگالی را کاهش می‌دهد. به همین دلیل یخ روی آب می‌ماند. همین افزایش حجم می‌تواند هنگام یخ زدن آبِ درون بافت کلم، به دیوارهٔ یاخته‌ها فشار وارد کند و آن‌ها را تخریب کند. بنابراین منظم‌تر شدن آرایش، لزوماً به معنی فشرده‌تر شدن آن نیست.

آب حلال بسیار رایجی است، چون بسیاری از ترکیب‌های یونی و مواد مولکولی را در خود حل می‌کند؛ اما «رایج‌ترین حلال» به معنی «حلال همهٔ مواد» نیست. برای تشخیص آبی یا غیرآبی بودن یک محلول، اول بپرس: حلال چیست؟ اگر حلال آب باشد، محلول آبی است. به محلولی که حلال آن آلی باشد، محلول غیرآبی می‌گوییم.

اتانول با فرمول $\mathrm{C_2H_6O}$ در تهیهٔ فراورده‌های دارویی و بهداشتی کاربرد دارد. استون با فرمول $\mathrm{C_3H_6O}$ حلال برخی چربی‌ها و لاک‌هاست و هگزان با فرمول $\mathrm{C_6H_{14}}$ برای مواد ناقطبی به کار می‌رود. یک محلول می‌تواند چند حل‌شونده داشته باشد؛ آب دریا نمونه‌ای آشناست.

همهٔ مواد به یک اندازه در آب حل نمی‌شوند. اتانول و استون به هر نسبتی در آب حل می‌شوند؛ یعنی با تغییر نسبت آنها به آب، از راه مخلوط کردن این مایع‌ها به محلول سیرشده نمی‌رسیم. پس نباید تصور کنیم هر حل‌شونده‌ای حتماً در آب به مرز سیرشدگی می‌رسد.

برای تشخیص یکنواختی، هم ترکیب شیمیایی و هم حالت فیزیکی را بررسی کن. آب و هگزان ترکیب یکنواختی در سراسر ظرف ندارند و دو لایه می‌سازند. در ظرف آب و یخ، فرمول ماده در هر دو بخش $\mathrm{H_2O}$ است، ولی حالت فیزیکی یکسان نیست: یکی مایع و دیگری جامد است. بنابراین یکسان بودن فرمول، به‌تنهایی نشانهٔ همگن بودن نیست.

حلال بودن آب فقط موضوع آزمایشگاه نیست؛ بخش بزرگی از کارهای بدن در محیط محلول‌های آبی انجام می‌شود. بیش از نیمی از آب بدن درون یاخته‌هاست و باقی آن در مایع‌های برون‌سلولی قرار دارد. این مایع‌ها به جابه‌جایی مواد مغذی و مواد زائد میان یاخته‌ها و دستگاه گردش خون کمک می‌کنند.

آب را می‌توان به بستری برای حمل مواد تشبیه کرد: مواد در آن حل می‌شوند و همراه مایع جابه‌جا می‌شوند. بدن هر روز از راه ادرار، تعرق و بخار آب بازدم، آب از دست می‌دهد. غذاها، میوه‌ها و نوشیدنی‌ها در جبران این آب نقش دارند؛ بنابراین دریافت آب فقط به نوشیدن آب خالص محدود نیست.

برای تصمیم گرفتن دربارهٔ تشکیل محلول، باید خودِ جفت مواد را بررسی کنیم. استون و آب محلول می‌سازند؛ اندکی ید هم در هگزان حل می‌شود. در مقابل، آب و هگزان مخلوطی ناهمگن می‌سازند. پس هگزان نه «حلال همه‌چیز» است و نه «ماده‌ای که چیزی را حل نمی‌کند»؛ نتیجه به مادهٔ همراه آن بستگی دارد.

نکتهٔ دقیق‌تر این است که در مخلوط آب و هگزان، حل شدن دو ماده در یکدیگر کاملاً صفر نیست، بلکه بسیار ناچیز و قابل چشم‌پوشی است. اگر ظرف را تکان بدهیم، ممکن است موقتاً قطره‌های ریز در آن پخش شوند؛ برای تشخیص محلول بودن، صرفاً به ظاهر مخلوط هنگام تکان دادن تکیه نمی‌کنیم.

برای پیش‌بینی تشکیل محلول، به جاذبهٔ میان ذره‌ها نگاه کن. آب و استون قطبی‌اند؛ یُد و هگزان ناقطبی‌اند. به همین دلیل، استون در آب و مقدار کمی یُد در هگزان حل می‌شود، اما آب و هگزان مخلوطی ناهمگن می‌سازند. عبارت «شبیه، شبیه را حل می‌کند» یک راهنمای مفید است، نه اینکه هر دو مادهٔ شبیه در هر مقداری با هم محلول بسازند.

در الگوی سادهٔ کتاب، جاذبهٔ حلال و حل‌شونده در محلول از میانگین جاذبه‌های آن‌ها در حالت خالص بیشتر است. مثلاً میان آب و اتانول پیوند هیدروژنی برقرار می‌شود. اتانول هنگام حل شدن به یون تبدیل نمی‌شود؛ مولکول‌هایش هویت خود را حفظ می‌کنند. این نوع حل شدن را انحلال مولکولی می‌نامیم.

وقتی نمک خوراکی در آب ناپدید می‌شود، ذره‌هایش از بین نرفته‌اند! سدیم کلرید از یون‌های مثبت و منفی در یک شبکهٔ منظم ساخته شده است. مولکول‌های قطبی آب به یون‌های سطح بلور نزدیک می‌شوند: سمت اکسیژنِ آب، با بار جزئی منفی، رو به یون $\mathrm{Na^+}$ قرار می‌گیرد؛ سمت هیدروژن‌ها، با بار جزئی مثبت، رو به یون $\mathrm{Cl^-}$ است.

جاذبهٔ یون ـ دوقطبی به جدا شدن یون‌ها از شبکه کمک می‌کند. مولکول‌های آب دور یون‌ها قرار می‌گیرند و یون‌های آب‌پوشیده در محلول پخش می‌شوند. نمادهای $\mathrm{Na^+(aq)}$ و $\mathrm{Cl^-(aq)}$ همین وضعیت را نشان می‌دهند. این انحلال یونی است؛ یون‌ها از پیش در بلور وجود داشته‌اند و آب آن‌ها را از یکدیگر جدا کرده است.

آبِ زلال می‌تواند گاز حل‌شده داشته باشد، بی‌آنکه حبابی ببینی. ماهی‌ها اکسیژن مولکولی $\mathrm{O_2}$ حل‌شده را با آبشش جذب می‌کنند. بنابراین کم بودن انحلال‌پذیری یک گاز، به معنی بی‌اهمیت بودن آن نیست.

در فشار یکسان، با افزایش دما، انحلال‌پذیری گازها در آب معمولاً کاهش می‌یابد. برای همین گرم شدن آب می‌تواند اکسیژن در دسترس ماهی‌ها را کمتر کند.

در کاوش کتاب، قرص جوشان گاز کربن دی‌اکسید، $\mathrm{CO_2}$، آزاد می‌کند. با مقدار یکسان قرص، بخشی از گاز در آب می‌ماند و بخشی جمع‌آوری می‌شود. در آب سرد سهم بیشتری حل می‌شود. برای مقایسهٔ معتبر باید مقدار قرص و آب یکسان باشد، واکنش کامل شود و حجم گازها در شرایط دما و فشار یکسان مقایسه شود؛ صرفاً شمردن حباب‌ها کافی نیست.

دما تنها عامل نیست؛ فشار گاز بر سطح آب هم اهمیت دارد. طبق قانون هنری، در دمای ثابت، انحلال‌پذیری گازی که با آب واکنش نمی‌دهد با فشار آن رابطهٔ مستقیم دارد. یعنی اگر فشار دو برابر شود، انحلال‌پذیری هم دو برابر می‌شود.

پس نمودار انحلال‌پذیری برحسب فشار برای یک گاز، در دمای ثابت، خطی است. اگر خط یک گاز شیب بیشتری داشته باشد، در فشار یکسان انحلال‌پذیری بیشتری دارد؛ نمی‌توان فقط با برابر بودن فشار، مقدار حل شدن گازهای متفاوت را برابر دانست.

این موضوع در غواصی مهم است: در فشار زیاد، نیتروژن بیشتری در خون حل می‌شود. بالا آمدن سریع و افت فشار می‌تواند باعث خروج گاز و تشکیل حباب‌های خطرناک شود.

بعد از یک فعالیت سنگین، فقط مقدار آب بدن مهم نیست؛ ترکیب مواد حل‌شده در آن هم اهمیت دارد. مایع‌های بدن محلول‌هایی هستند که یون‌هایی مانند $\mathrm{Na^+}$، $\mathrm{K^+}$ و $\mathrm{Cl^-}$ در آن‌ها حضور دارند. این ذره‌های باردار به فراهم‌شدن شرایط مناسب برای پیام‌رسانی عصبی و کنترل حرکت کمک می‌کنند.

هنگام فعالیت شدید و تعریق، بدن مقداری آب و یون از دست می‌دهد. به همین دلیل، نوشیدنی ویژهٔ ورزشکاران فقط برای برطرف‌کردن تشنگی نیست؛ می‌تواند به جبران یون‌های ازدست‌رفته هم کمک کند. پس در بررسی نیاز بدن، باید هم به آب توجه کنیم و هم به مواد حل‌شده در آن.

یکی از یون‌های مهم مایع‌های بدن، پتاسیم با نماد $\mathrm{K^+}$ است. بدن یک فرد بالغ در روز به پتاسیم بیشتری نسبت به سدیم نیاز دارد؛ مقدار موردنیاز پتاسیم حدود دو برابر سدیم است. بسیاری از خوراکی‌ها پتاسیم دارند و به همین علت کمبود آن چندان رایج نیست.

اما فراوان‌بودن یک ماده در غذاها، به معنی کم‌اهمیت‌بودن آن نیست! عملکرد درست دستگاه عصبی به حضور و جابه‌جایی مناسب پتاسیم وابسته است. اگر مسیر حرکت این یون مختل شود، پیام‌رسانی عصبی آسیب می‌بیند. نمونهٔ زهر برخی مارها در کتاب یادآوری می‌کند که بسته‌شدن کانال‌های پتاسیم می‌تواند پیامد بسیار شدیدی داشته باشد.

وقتی مصرف آب روزانه‌ات را حساب می‌کنی، احتمالاً نوشیدن، حمام و شستن ظرف‌ها را به یاد می‌آوری. کتاب مصرف مستقیم روزانهٔ هر فرد را حدود $350\,\mathrm{L}$ بیان می‌کند؛ اما داستان آب همین‌جا تمام نمی‌شود. برای تولید غذا، پوشاک و دیگر کالاها نیز آب لازم است و کشاورزی سهم بزرگی از این مصرف دارد.

«ردپای آب» نگاه گسترده‌تری دارد: آب مصرف‌شده برای کالاها، خدمات و فعالیت‌های زندگی را هم در نظر می‌گیرد. مثلاً تولید یک بلوز نخی در داده‌های کتاب به حدود $2700\,\mathrm{L}$ آب نیاز دارد. این آب داخل بلوز جمع نشده است؛ در مسیر تولید آن مصرف شده است. بنابراین پرهیز از خرید غیرضروری و هدرندادن غذا هم به حفظ آب کمک می‌کند.

آب مصرفی خانه، مزرعه، کارخانه و مدرسه می‌تواند از منابع سطحی یا زیرزمینی تأمین شود. هرچه ردپای آب بیشتر باشد، برداشت از منابع آب قابل استفاده هم بیشتر می‌شود. پس بزرگی دریاها نباید ما را به این نتیجه برساند که آب مناسب همهٔ مصرف‌ها فراوان و آماده است.

کیفیت لازم آب به کاربرد آن بستگی دارد. آبی که برای شستن یک سطح مناسب است، لزوماً برای نوشیدن ایمن نیست. آب دریا نیز به علت شوری، پیش از استفادهٔ موردنظر به نمک‌زدایی و تصفیه نیاز دارد. بنابراین هنگام حرف‌زدن از منابع آب، فقط «مقدار آب» را نبین؛ «قابل استفاده بودن برای آن کاربرد» هم مهم است.

اگر مویز را مدتی در آب بگذاری، آب جذب می‌کند و متورم می‌شود؛ اما خیار در آب شور ممکن است آب از دست بدهد و چروک شود. برای فهم این تفاوت، باید دو سوی غشای نیمه‌تراوا را مقایسه کنیم. چنین غشایی انتخابی عمل می‌کند: آب می‌تواند از آن بگذرد، اما همهٔ ذره‌ها امکان عبور یکسانی ندارند.

در اسمز، جابه‌جایی خالص آب از محیط رقیق‌تر به محیط غلیظ‌تر است. منظور از غلیظ‌تر، داشتن مواد حل‌شدهٔ بیشتر است. در مویزِ داخل آب، ورود آب باعث تورم می‌شود. در خیارِ داخل آب شورِ غلیظ‌تر از مایع درون یاخته، خروج آب به چروکیدگی می‌انجامد. پس جهت حرکت آب را از روی نام ماده حدس نزن؛ غلظت دو طرف را مقایسه کن.

غشای نیمه‌تراوا را مثل یک درِ انتخاب‌گر تصور کن: بعضی ذره‌ها می‌توانند از آن بگذرند و بعضی نمی‌توانند. اینکه چه ذره‌هایی عبور کنند، به ویژگی غشا بستگی دارد؛ پس هر غشایی لزوماً جلوی همهٔ یون‌ها را نمی‌گیرد.

در پدیدهٔ اسمز، آب به‌طور خودبه‌خودی از محیط رقیق‌تر به محیط غلیظ‌تر، از میان غشای مناسب، جابه‌جا می‌شود. منظور از غلیظ‌تر، داشتن حل‌شوندهٔ بیشتر نسبت به مقدار محلول است، نه داشتن آب بیشتر.

در مویزِ داخل آب، ورود خالص آب باعث تورم می‌شود. برای خیار در آب شور، محیط بیرون غلیظ‌تر است؛ آب از بافت خیار بیرون می‌رود و خیار چروکیده می‌شود. پس برای پیش‌بینی، اول غلظت دو طرف را مقایسه کن.

دو طرف یک غشا را در نظر بگیر: یک طرف آب مقطر و طرف دیگر آب دریا. این بار فرض می‌کنیم غشا آب را عبور می‌دهد، اما جلوی یون‌های نمک را می‌گیرد. در آغاز، آب به‌طور خالص به سمت آب دریا می‌رود و سطح مایع در آن سمت بالا می‌آید؛ بنابراین اسمز معمولی، آب شیرینِ جداگانه تولید نمی‌کند.

حالا اگر به سمت آب شور فشار کافی وارد کنیم، می‌توانیم جهت حرکت خالص آب را برعکس کنیم. آب از سمت شور از غشا می‌گذرد، اما بیشتر نمک‌ها پشت آن می‌مانند. این روش اسمز معکوس نام دارد.

پمپ دستگاه انرژی لازم را فراهم می‌کند. دستگاه دو خروجی دارد: آب شیرین‌تر و محلولی که از آب ورودی شورتر شده است.

روش دیگر شیرین‌سازی، تقطیر است: آب را تبخیر می‌کنیم و سپس بخار را با سرد کردن، دوباره به مایع تبدیل می‌کنیم. نمک‌های محلولِ غیرفرّار همراه بخار آب بالا نمی‌روند و در ظرف اولیه باقی می‌مانند.

در آب‌شیرین‌کن خورشیدی، خورشید انرژی تبخیر را می‌دهد. بخار روی پوشش خنک‌تر میعان می‌کند و قطره‌ها به محل جمع‌آوری آب شیرین می‌روند. پس ترتیب اصلی، «تبخیر، سپس میعان» است.

روش مناسب به نوع آلاینده هم بستگی دارد. صافی کربن می‌تواند برخی مواد آلی و عوامل بو و مزه را جذب کند، اما جای روش نمک‌زدایی را نمی‌گیرد. تقطیر هم نباید به معنی حذف قطعی هر آلاینده‌ای تلقی شود؛ بعضی مواد فرّار ممکن است همراه بخار منتقل شوند.

آب مناسب شست‌وشو لزوماً آشامیدنی نیست. حتی پس از کم شدن نمک‌ها و برخی آلاینده‌ها، باید ایمنی میکروبی آب هم بررسی شود. به همین دلیل، گندزدایی مناسب، مانند کلرزنی، بخشی مهم از آماده‌سازی آب برای مصرف است؛ شفاف بودن آب به‌تنهایی کافی نیست.

کتاب دربارهٔ یک نمایش تبلیغاتی هم هشدار می‌دهد: تیغه‌های فلزی را در آب می‌گذارند و جریان برق برقرار می‌کنند؛ سپس آب تغییر رنگ می‌دهد. در این فرایند، خودِ تیغه‌ها می‌توانند یون‌هایی وارد آب کنند و در تغییر رنگ نقش داشته باشند.

پس رنگ ایجادشده، اندازه‌گیری معتبر مقدار یون‌های اولیهٔ آب نیست. برای داوری دربارهٔ کیفیت آب، باید روش آزمایش و منشأ تغییر مشاهده‌شده را بشناسیم، نه اینکه فقط به ظاهر آن تکیه کنیم.

برای مقایسهٔ محلول‌ها، مقدار حل‌شونده به‌تنهایی کافی نیست؛ باید آن را نسبت به مقدار محلول بسنجیم. مثلاً مقدار یکسانی نمک در آب کمتر، محلول غلیظ‌تری می‌سازد.

در غلظت مولی، مقدار حل‌شونده برحسب مول را بر حجم محلول برحسب لیتر تقسیم می‌کنیم: $c=\frac{n}{V}$. بنابراین با افزودن آب، اگر حل‌شونده کم‌وزیاد نشود، غلظت کاهش می‌یابد.

برای مقدارهای بسیار کم، مانند اکسیژن محلول در آب، از قسمت در میلیون یا $\mathrm{ppm}$ استفاده می‌کنیم. در بیان جرمی، $\mathrm{ppm}=\frac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times10^6$ است، به شرط آنکه دو جرم هم‌واحد باشند. راه سریع و معادل این است: جرم حل‌شونده برحسب $\mathrm{mg}$ را بر جرم محلول برحسب $\mathrm{kg}$ تقسیم کن.

برای مقایسهٔ محلول‌ها، فقط تعداد ذره‌های حل‌شونده کافی نیست؛ حجم محلول هم مهم است. شربتی که در لیوان کوچک‌تر همان مقدار شکر را دارد، غلیظ‌تر است. غلظت مولی را از رابطهٔ $c=\frac{n}{V}$ به دست می‌آوریم؛ $n$ مقدار حل‌شونده برحسب مول و $V$ حجم محلول برحسب لیتر است.

در شکل‌های تمرین، هر ذره نمایندهٔ $0.02\,\mathrm{mol}$ است؛ پس اول ذره‌ها را می‌شماریم و سپس مقدار مول را بر حجم تقسیم می‌کنیم. بدون شمار دقیق ذره‌های شکل، نمی‌توان شمارهٔ غلیظ‌ترین محلول را تعیین کرد.

برای مخلوط‌کردن دو محلولِ یک حل‌شونده، اگر واکنشی رخ ندهد و حجم‌ها جمع‌پذیر باشند، داریم: $c=\frac{n_1+n_2}{V_1+V_2}$. در افزودن آب، مقدار حل‌شونده ثابت است؛ اما افزودن حل‌شونده با فرض ثابت‌بودن حجم، غلظت را افزایش می‌دهد.

وقتی مقدار حل‌شونده بسیار کم است، بیان غلظت با قسمت در میلیون مناسب‌تر می‌شود. برای غلظت جرمی داریم: $\mathrm{ppm}=\frac{m_{\text{حل‌شونده}}}{m_{\text{محلول}}}\times10^6$. در این رابطه، دو جرم باید هم‌واحد باشند. راه میان‌بُر مفید این است که نسبت جرم حل‌شونده برحسب میلی‌گرم به جرم محلول برحسب کیلوگرم، مستقیماً مقدار عددی غلظت را برحسب $\mathrm{ppm}$ می‌دهد.

در مسئلهٔ ماهی‌ها، ابتدا غلظت اکسیژن را حساب می‌کنیم و بعد آن را با حد لازم می‌سنجیم؛ صرف وجود اکسیژن کافی نیست. در مسئلهٔ کوسه هم همین روش کاربرد دارد، با این تفاوت که اول باید حجم آب دریا را با استفاده از جرم داده‌شده برای هر لیتر، به جرم تبدیل کنیم. برای محلول‌های بسیار رقیق این تمرین‌ها، جرم آب تقریب خوبی از جرم محلول است.

در تمرین نموداری، جرم مولی سه ماده برابر است؛ بنابراین می‌توان نقش قطبی‌بودن و جاذبه‌های بین‌مولکولی را بهتر مقایسه کرد. گشتاور دوقطبی بزرگ‌تر نشانهٔ قطبی‌بودن بیشتر است. پس از میان مواد داده‌شده، مولکول‌های $C$ در میدان الکتریکی جهت‌گیری محسوس‌تری دارند.

برای مقایسهٔ قدرت نیروهای بین‌مولکولی، به ارتفاع نقطه‌ها در نمودار هم نگاه کن: در این مقایسه، نقطهٔ جوش بالاتر نشان می‌دهد جداکردن مولکول‌ها انرژی بیشتری می‌خواهد. ترتیب را باید از داده‌های نقطهٔ جوش بخوانی، نه صرفاً از نام مواد.

برای پیش‌بینی حل‌شدن، شباهت قطبیت حلال و حل‌شونده راهنماست. هگزان ناقطبی است؛ بنابراین از میان این سه ماده، $A$ با گشتاور دوقطبی بسیار کوچک، گزینهٔ مناسب‌تری برای حل‌شدن در هگزان است. این همان دلیلی است که آب و روغن به‌آسانی مخلوط یکنواخت نمی‌سازند.

برای خواندن نمودار انحلال‌پذیری اکسیژن، ابتدا دمای خواسته‌شده را روی محور افقی پیدا کن، تا منحنی آب موردنظر بالا برو و سپس مقدار را از محور عمودی بخوان. به یکای محور دقت کن: این نمودار مقدار اکسیژن را در صد گرم آب نشان می‌دهد، نه در یک لیتر. بدون تصویر عددی نمودار، نباید برای یک دما عدد حدس بزنیم.

روند نمودار می‌گوید با گرم‌ترشدن آب، اکسیژن کمتری در آن حل می‌شود. همچنین در دمای یکسان، آب دریا اکسیژن کمتری از آب آشامیدنی در خود نگه می‌دارد؛ نمک بیشتر، انحلال‌پذیری اکسیژن را کاهش می‌دهد.

آزمایش‌های بعدی تفاوت دیگری را نشان می‌دهند: شکر تا حدی حل می‌شود و سپس مقداری جامد باقی می‌ماند؛ روغن لایهٔ جدا می‌سازد، اما اتانول با آب مخلوط یکنواخت تشکیل می‌دهد. جرم شکر حل‌شده از کم‌کردن جرم باقی‌مانده از جرم کل افزوده‌شده به دست می‌آید.

در تصویرهای کاربرد، کلسیم سولفات با گچ‌گرفتن دست ارتباط دارد و آمونیوم نیترات به‌عنوان کود شیمیایی به کار می‌رود. هر دو یونی‌اند، اما این شباهت به معنی انحلال‌پذیری برابر نیست؛ داده‌های تمرین نشان می‌دهند آمونیوم نیترات در دمای داده‌شده بسیار بیشتر حل می‌شود.

برای تبدیل انحلال‌پذیری به درصد جرمی، باید حواست به جرم کل محلول باشد. اگر انحلال‌پذیری ماده‌ای برابر $s$ گرم در $100\,\mathrm{g}$ آب باشد، جرم محلول سیرشده $100+s$ گرم است؛ پس درصد جرمی آن از رابطهٔ $\frac{s}{100+s}\times100$ به دست می‌آید.

برای هر نمک، مقدار انحلال‌پذیری خودش را جای $s$ می‌گذاریم. اشتباه مهم این است که جرم آب را به‌جای جرم محلول در مخرج بنویسیم. نمک حل‌شده ناپدید نشده است؛ جرمش همچنان بخشی از جرم محلول است.