الذوبان

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
أيون الصوديوم المذاب بجزيئات الماء

الذوبان هو تفاعل المذيب مع الجزيئات المذابة. تتفاعل الجزيئات المتأينة وغير المتأينة بقوة مع المذيب، وتؤثر قوة هذا التفاعل وطبيعته على العديد من خصائص المذاب، بما في ذلك الذوبانية ، [ 1 ] والتفاعلية، واللون، بالإضافة إلى تأثيرها على خصائص المذيب مثل لزوجته وكثافته . [ 2 ] إذا كانت قوى التجاذب بين جزيئات المذيب والمذاب أكبر من قوى التجاذب التي تربط جزيئات المذاب معًا، فإن جزيئات المذيب تسحب جزيئات المذاب بعيدًا عنها وتحيط بها. ثم تتحرك جزيئات المذاب المحاطة بعيدًا عن المذاب الصلب إلى المحلول. تُحاط الأيونات بغلاف متحد المركز من المذيب . الذوبان هو عملية إعادة تنظيم جزيئات المذيب والمذاب في مركبات ذوبان، ويتضمن تكوين روابط، وروابط هيدروجينية ، وقوى فان دير فالس . يُطلق على ذوبان المذاب بالماء اسم الإماهة. [ 3 ]

تعتمد قابلية ذوبان المركبات الصلبة على التنافس بين طاقة الشبكة والذوبان، بما في ذلك تأثيرات الإنتروبيا المتعلقة بالتغيرات في بنية المذيب. [ 4 ]

التمييز عن الذوبانية

بحسب تعريف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) ، [ 5 ] فإنّ الذوبان هو تفاعل المذاب مع المذيب، مما يؤدي إلى استقرار جزيئات المذاب في المحلول. في حالة الذوبان، يكون الأيون أو الجزيء في المحلول محاطًا بجزيئات المذيب أو مرتبطًا بها . غالبًا ما يمكن وصف الجزيئات المذابة بعدد التناسق وثوابت استقرار المركب . يمكن أيضًا تطبيق مفهوم تفاعل الذوبان على المواد غير القابلة للذوبان، على سبيل المثال، ذوبان المجموعات الوظيفية على سطح راتنج التبادل الأيوني .

الذوبان، من حيث المفهوم، يختلف عن الذوبانية . الذوبان عملية حركية تُقاس بمعدلها. أما الذوبانية فتُقاس بحالة التوازن الديناميكي التي تتحقق عندما يتساوى معدل الذوبان مع معدل الترسيب . ويُوضح الفرق بينهما من خلال النظر في الوحدات. فوحدة قياس معدل الذوبان الشائعة هي مول/ثانية. بينما تُعبر وحدات قياس الذوبانية عن التركيز: الكتلة لكل وحدة حجم (ملغم/مل)، المولارية (مول/لتر)، إلخ.

المذيبات والتفاعلات بين الجزيئات

تتضمن عملية الإذابة أنواعًا مختلفة من التفاعلات بين الجزيئات:

  • الترابط الهيدروجيني
  • التفاعلات بين الأيونات وثنائيات الأقطاب
  • قوى فان دير فالس ، التي تتكون من تفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب، وثنائي القطب-ثنائي القطب المستحث، وثنائي القطب المستحث-ثنائي القطب المستحث.

يعتمد تحديد القوى المؤثرة على التركيب الجزيئي وخصائص المذيب والمذاب. ويحدد مدى تشابه أو تكامل هذه الخصائص بين المذيب والمذاب مدى قدرة المذيب على إذابة المذاب.

صبغة النيل الأحمر في ضوء النهار (الصف العلوي) وتحت الأشعة فوق البنفسجية (الصف الثاني) في مذيبات مختلفة. من اليسار إلى اليمين: الماء، الميثانول ، الإيثانول ، الأسيتونيتريل ، ثنائي ميثيل فورماميد ، الأسيتون ، أسيتات الإيثيل ، ثنائي كلورو الميثان، ن-هكسان ، ميثيل ثالثي بوتيل الإيثر ، سيكلوهكسان ، تولوين

تُعدّ قطبية المذيب العامل الأهم في تحديد مدى قدرته على إذابة مذاب معين. تمتلك المذيبات القطبية ثنائيات أقطاب جزيئية، أي أن جزءًا من جزيء المذيب يتمتع بكثافة إلكترونية أعلى من جزء آخر. سيحمل الجزء ذو الكثافة الإلكترونية الأعلى شحنة سالبة جزئية، بينما سيحمل الجزء ذو الكثافة الإلكترونية الأقل شحنة موجبة جزئية. تستطيع جزيئات المذيبات القطبية إذابة المذابات والأيونات القطبية لأنها قادرة على توجيه الجزء المشحون جزئيًا من الجزيء نحو المذاب عبر التجاذب الكهروستاتيكي. يُؤدي هذا إلى استقرار النظام وتكوين غلاف مذيب (أو غلاف ترطيب في حالة الماء) حول كل جزيء من المذاب. غالبًا ما يكون لجزيئات المذيب في الجوار المباشر لجزيء المذاب ترتيب مختلف تمامًا عن بقية جزيئات المذيب، وتُسمى هذه المنطقة ذات الترتيب المختلف لجزيئات المذيب بالمنطقة السيبوتاكتيكية. [ 6 ] يُعدّ الماء المذيب القطبي الأكثر شيوعًا ودراسةً، ولكن توجد مذيبات قطبية أخرى، مثل الإيثانول والميثانول والأسيتون والأسيتونيتريل وثنائي ميثيل سلفوكسيد . غالبًا ما تتميز المذيبات القطبية بثابت عزل كهربائي عالٍ ، على الرغم من استخدام مقاييس أخرى لتصنيف قطبية المذيبات. يمكن استخدام المذيبات القطبية لإذابة المركبات غير العضوية أو الأيونية ، مثل الأملاح. تعتمد موصلية المحلول على تميؤ أيوناته. لا تستطيع المذيبات غير القطبية تميؤ الأيونات، وتوجد الأيونات في هذه الحالة على شكل أزواج أيونية.

تعتمد الروابط الهيدروجينية بين جزيئات المذيب والمذاب على قدرة كل منهما على استقبال الروابط الهيدروجينية، أو منحها، أو كليهما. تُسمى المذيبات التي يمكنها منح الروابط الهيدروجينية بالمذيبات البروتونية ، بينما تُسمى المذيبات التي لا تحتوي على رابطة قطبية مع ذرة هيدروجين ولا يمكنها منح رابطة هيدروجينية بالمذيبات غير البروتونية . تُصنف قدرة المذيب على منح الروابط الهيدروجينية على مقياس (α). [ 7 ] تستطيع المذيبات البروتونية إذابة المواد المذابة التي يمكنها استقبال الروابط الهيدروجينية. وبالمثل، تستطيع المذيبات التي يمكنها استقبال الروابط الهيدروجينية إذابة المواد المذابة المانحة للروابط الهيدروجينية. تُصنف قدرة المذيب على استقبال الروابط الهيدروجينية على مقياس (β). [ 8 ] تُعد المذيبات مثل الماء مذبذبات أمفوتيرية ، أي أنها تستطيع منح واستقبال الروابط الهيدروجينية، مما يجعلها ممتازة في إذابة المواد المذابة التي يمكنها منح أو استقبال (أو كليهما) الروابط الهيدروجينية.

تُظهر بعض المركبات الكيميائية ظاهرة تغير اللون تبعًا لقطبية المذيب. توضح هذه الظاهرة كيف تتفاعل المذيبات المختلفة بشكل مختلف مع نفس المذاب. تشمل التأثيرات الأخرى للمذيبات تفضيلات التشكيل أو التماثل، وتغيرات في حموضة المذاب.

طاقة الذوبان والاعتبارات الديناميكية الحرارية

تُصبح عملية الذوبان مُفضلة ديناميكيًا حراريًا فقط إذا انخفضت طاقة جيبس ​​الكلية للمحلول، مقارنةً بطاقة جيبس ​​للمذيب والمادة الصلبة (أو الغاز أو السائل) المنفصلين. وهذا يعني أن التغير في المحتوى الحراري مطروحًا منه التغير في الإنتروبيا (مضروبًا في درجة الحرارة المطلقة) قيمة سالبة، أو أن طاقة جيبس ​​للنظام تنخفض. تشير طاقة جيبس ​​السالبة إلى عملية تلقائية، لكنها لا تُقدم معلومات حول معدل الذوبان .

تتضمن عملية الإذابة عدة خطوات ذات نتائج طاقية مختلفة. أولًا، يجب أن يتشكل تجويف في المذيب لإفساح المجال للمذاب. هذه العملية غير مواتية من الناحيتين الإنتروبية والإنثالبيّة، حيث يزداد ترتيب جزيئات المذيب بينما تقل التفاعلات بينها. تؤدي التفاعلات الأقوى بين جزيئات المذيب إلى زيادة التكلفة الإنثالبيّة لتكوين التجويف. ثانيًا، يجب أن تنفصل جزيئة من المذاب عن المذيب. هذه العملية غير مواتية من الناحية الإنثالبيّة نظرًا لانخفاض التفاعلات بين جزيئات المذاب، ولكن عندما تدخل جزيئة المذاب إلى التجويف، تصبح التفاعلات الناتجة بين جزيئات المذيب مواتية من الناحية الإنثالبيّة. أخيرًا، مع امتزاج المذاب بالمذيب، يحدث ازدياد في الإنتروبيا. [ 6 ]

إذابة المذاب بواسطة المذيب

إن إنثالبي الذوبان هو إنثالبي الذوبان مطروحًا منه إنثالبي النظامين المنفصلين، بينما إنتروبيا الذوبان هي الفرق المقابل في الإنتروبيا . طاقة الذوبان (التغير في طاقة غيبس الحرة ) هي التغير في الإنثالبي مطروحًا منه حاصل ضرب درجة الحرارة ( بالكلفن ) في التغير في الإنتروبيا. تتميز الغازات بإنتروبيا ذوبان سالبة، نظرًا لانخفاض حجمها الغازي عند ذوبانها. ولأن إنثالبي ذوبانها لا ينخفض ​​كثيرًا مع ارتفاع درجة الحرارة، ولأن إنتروبيا ذوبانها سالبة ولا تتغير بشكل ملحوظ مع درجة الحرارة، فإن معظم الغازات تكون أقل ذوبانًا عند درجات الحرارة المرتفعة.

يمكن أن تساعد إنثالبي الذوبان في تفسير سبب حدوث الذوبان مع بعض الشبكات الأيونية دون غيرها. يُطلق على الفرق في الطاقة بين الطاقة اللازمة لتحرير أيون من شبكته والطاقة المنبعثة عند اتحاده مع جزيء مذيب اسم تغير إنثالبي الذوبان . تشير القيمة السالبة لتغير إنثالبي الذوبان إلى أيون يُحتمل ذوبانه، بينما تشير القيمة الموجبة العالية إلى عدم حدوث الذوبان. من الممكن أن يذوب أيون حتى لو كانت قيمة إنثالبي الذوبان موجبة. تأتي الطاقة الإضافية المطلوبة من الزيادة في الإنتروبيا الناتجة عن ذوبان الأيون. يُصعّب إدخال الإنتروبيا تحديد ما إذا كانت المادة ستذوب أم لا بالحسابات وحدها. يُعطى مقياس كمي لقدرة المذيبات على الذوبان بواسطة أرقام المانح . [ 9 ]

على الرغم من الاعتقاد السائد في البداية بأن ارتفاع نسبة شحنة أيون الكاتيون إلى نصف قطره الأيوني ، أو كثافة الشحنة، يؤدي إلى زيادة الذوبان، إلا أن هذا الاعتقاد لا يصمد أمام التدقيق بالنسبة لأيونات مثل الحديد الثلاثي أو اللانثانيدات والأكتينيدات ، التي تتحلل مائيًا بسهولة لتكوين أكاسيد غير قابلة للذوبان (مائية) . وبما أن هذه الأكاسيد مواد صلبة، فمن الواضح أنها غير مذابة.

تُسهّل التفاعلات القوية بين المذيب والمذاب عملية الذوبان. ومن طرق مقارنة مدى سهولة ذوبان المذاب في مذيبات مختلفة، النظر في طاقة النقل الحرة. تُحدد طاقة النقل الحرة الفرق في الطاقة الحرة بين محاليل مخففة من المذاب في مذيبين مختلفين. وتتيح هذه القيمة أساسًا مقارنة طاقات الذوبان دون تضمين تفاعلات المذاب-المذاب. [ 6 ]

بشكل عام، يتم تحليل الديناميكا الحرارية للمحاليل عن طريق نمذجتها كتفاعلات كيميائية. على سبيل المثال، عند إضافة كلوريد الصوديوم إلى الماء، يتفكك الملح إلى أيوني الصوديوم (+) والكلوريد (-). ويمكن التنبؤ بثابت الاتزان لهذا التفكك من خلال التغير في طاقة غيبس لهذا التفاعل.

تُستخدم معادلة بورن لتقدير طاقة جيبس ​​الحرة للذوبان لأيون غازي.

أظهرت دراسات المحاكاة الحديثة أن التباين في طاقة الذوبان بين الأيونات وجزيئات الماء المحيطة بها يكمن وراء آلية سلسلة هوفمايستر . [ 10 ] [ 2 ]

الجزيئات الكبيرة والتجمعات

يُعدّ التذويب (وتحديدًا الترطيب ) مهمًا للعديد من البنى والعمليات البيولوجية. فعلى سبيل المثال، يؤثر تذويب الأيونات و/أو الجزيئات الكبيرة المشحونة ، كالحمض النووي والبروتينات، في المحاليل المائية على تكوين التجمعات غير المتجانسة، والتي قد تكون مسؤولة عن الوظيفة البيولوجية. [ 11 ] كمثال آخر، يحدث طي البروتين تلقائيًا، ويعود ذلك جزئيًا إلى تغير إيجابي في التفاعلات بين البروتين وجزيئات الماء المحيطة به. تُصبح البروتينات المطوية أكثر استقرارًا بمقدار 5 إلى 10 كيلو كالوري /مول مقارنةً بحالتها غير المطوية، وذلك نتيجةً لتضافر التذويب والتفاعلات الجزيئية الداخلية الأقوى في بنية البروتين المطوي ، بما في ذلك الروابط الهيدروجينية. [ 12 ] ويُعدّ تقليل عدد السلاسل الجانبية الكارهة للماء المعرضة للماء عن طريق دفنها في مركز البروتين المطوي قوة دافعة مرتبطة بالتذويب.

يؤثر التذويب أيضًا على تكوين معقدات المضيف والضيف . تمتلك العديد من جزيئات المضيف مسامًا كارهًا للماء يسهل احتواء جزيء ضيف كاره للماء. يمكن استخدام هذه التفاعلات في تطبيقات مثل توصيل الأدوية ، بحيث يمكن توصيل جزيء دواء كاره للماء إلى نظام بيولوجي دون الحاجة إلى تعديل الدواء تساهميًا لإذابته. تعتمد ثوابت الارتباط لمعقدات المضيف والضيف على قطبية المذيب. [ 13 ]

يؤثر الترطيب على الخصائص الإلكترونية والاهتزازية للجزيئات الحيوية. [ 14 ] [ 15 ]

أهمية الذوبان في عمليات المحاكاة الحاسوبية

نظراً لأهمية تأثيرات الذوبان على بنية الجزيئات الكبيرة، فإن عمليات المحاكاة الحاسوبية المبكرة التي حاولت نمذجة سلوكها دون تضمين تأثيرات المذيب ( في الفراغ ) قد تُعطي نتائج ضعيفة مقارنةً بالبيانات التجريبية المُستقاة من المحلول. كما قد تتخذ الجزيئات الصغيرة أشكالاً أكثر تكاثفاً عند محاكاتها في الفراغ ؛ ويعود ذلك إلى تفاعلات فان دير فالس المواتية والتفاعلات الكهروستاتيكية داخل الجزيء، والتي تتضاءل في وجود المذيب.

مع ازدياد قوة الحوسبة، أصبح من الممكن محاولة دمج تأثيرات الذوبان ضمن المحاكاة، وأبسط طريقة للقيام بذلك هي إحاطة الجزيء المراد محاكاته بـ "غلاف" من جزيئات المذيب، على غرار محاكاة الجزيء داخل قطرة من المذيب إذا كان الغلاف عميقًا بما فيه الكفاية. [ 16 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سواريز، أديران غارايزار؛ غولر، أندرياس هـ.؛ بيك، مايكل إي.؛ غيتا، صدرا كاشف أول؛ ماير، كاتارينا (29-10-2024). "تقييم مقارن للطرق الحاسوبية القائمة على الفيزياء لحساب الذوبانية النسبية" . مجلة التصميم الجزيئي بمساعدة الحاسوب . 38 (1): 36. doi : 10.1007/s10822-024-00576-y . ISSN 1573-4951 . 
  2. 1 2 م. أندرييف؛ ج. دي بابلو؛ أ. كريموس؛ ج. ف. دوغلاس (2018). "تأثير ذوبان الأيونات على خواص محاليل الإلكتروليت". مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 122 (14): 4029-4034 . doi : 10.1021/acs.jpcb.8b00518 . PMID 29611710 . 
  3. ↑ كامبل، نيل (2006). الكيمياء - طبعة كاليفورنيا . بوسطن، ماساتشوستس: بيرسون برنتيس هول. ص 734. ISBN  978-0-13-201304-8.
  4. ↑ غرينوود، نورمان ن .؛ إيرنشو، آلان (1997). كيمياء العناصر ( الطبعة الثانية). باتروورث-هاينمان. ص 823. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN   978-0-08-037941-8.
  5. ↑ الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC )، موسوعة المصطلحات الكيميائية ، الطبعة الخامسة (الكتاب الذهبي) (2025). النسخة الإلكترونية: (2006 – ) " الذوبان ". doi : 10.1351/goldbook.S05747
  6. 1 2 3 إريك ف. أنسلين؛ دينيس أ. دوهرتي (2006). الكيمياء العضوية الفيزيائية الحديثة. منشورات جامعة العلوم. ISBN 978-1-891389-31-3.
  7. ↑ تافت، ر. و.، وكامليت، م. ج. (1976). "طريقة المقارنة اللونية المذيبة. 2. مقياس ألفا لحموضة مانحات الرابطة الهيدروجينية للمذيبات". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ، 98 (10): 2886-2894 . Bibcode : 1976JAChS..98.2886T . doi : 10.1021/ja00426a036 .
  8. ↑ تافت، ر. و.، وكامليت، م. ج. (1976). "طريقة المقارنة اللونية المذيبة. 1. مقياس بيتا لقاعدية مستقبلات الرابطة الهيدروجينية للمذيب". مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ، 98 (2): 377-383 . Bibcode : 1976JAChS..98..377K . doi : 10.1021/ja00418a009 .
  9. ↑ غوتمان ف (1976). "تأثيرات المذيبات على تفاعلية المركبات العضوية الفلزية". مجلة كيمياء التناسق 18 ( 2): 225. doi : 10.1016/S0010-8545(00)82045-7 .
  10. ↑ م. أندرييف؛ أ. كريموس؛ ج. دي بابلو؛ ج. ف. دوغلاس (2017). "نموذج تقريبي لديناميكيات محاليل الإلكتروليت". مجلة الكيمياء الفيزيائية ب . 121 (34): 8195-8202 . doi : 10.1021/acs.jpcb.7b04297 . PMID 28816050 . 
  11. ↑ أ. كريموس؛ ج. ف. دوغلاس (2018). " ارتباط البوليمرات الإلكتروليتية والذوبان" . مجلة الفيزياء الكيميائية . 149 (16): 163305. Bibcode : 2018JChPh.149p3305C . doi : 10.1063/1.5030530 . PMC 6217855. PMID 30384680 .  
  12. ↑ بيس، سي إن؛ شيرلي، بي إيه؛ ماكنوت، إم؛ غاجيوالا، كيه (1996). "القوى المساهمة في استقرار البنية الفراغية للبروتينات" . مجلة FASEB . 10 (1): 75-83 . doi : 10.1096/fasebj.10.1.8566551 . PMID 8566551. S2CID 20021399 .  
  13. ↑ ستيد، جيه دبليو وأتوود، جيه إل (2013) الكيمياء فوق الجزيئية. الطبعة الثانية. وايلي. ISBN 11186815099781118681503.
  14. ↑ مشاغي علي رضا وآخرون (2012). "يؤثر الترطيب بشدة على البنية الجزيئية والإلكترونية للفوسفوليبيدات الغشائية" . مجلة الكيمياء الفيزيائية 136 ( 11): 114709. Bibcode : 2012JChPh.136k4709M . doi : 10.1063/1.3694280 . PMID 22443792 .  
  15. ↑ بون ميشا وآخرون (2012). "الماء السطحي يُسهّل نقل الطاقة عن طريق إحداث اهتزازات ممتدة في دهون الغشاء". مجلة الكيمياء الفيزيائية . 116 (22): 6455-6460 . CiteSeerX 10.1.1.709.5345 . doi : 10.1021/jp302478a . PMID 22594454 .   
  16. ↑ ليتش، أندرو ر. (2001). النمذجة الجزيئية : المبادئ والتطبيقات ( الطبعة الثانية). هارلو، إنجلترا: برنتيس هول. ص 320. ISBN    0-582-38210-6. OCLC 45008511 . 

للمزيد من القراءة