الذوبان

في الكيمياء ، الذوبان هو قدرة مادة ، المذاب ، على تكوين محلول مع مادة أخرى، المذيب . عدم الذوبان هو الخاصية المعاكسة، عدم قدرة المذاب على تكوين مثل هذا المحلول.

يتم قياس مدى ذوبان مادة ما في مذيب معين بشكل عام على أنه تركيز المذاب في محلول مشبع، وهو المحلول الذي لا يمكن إذابة المزيد من المذاب فيه. ^[1] في هذه المرحلة، يقال إن المادتين في حالة توازن الذوبان . بالنسبة لبعض المذابات والمذيبات، قد لا يكون هناك مثل هذا الحد، وفي هذه الحالة يقال إن المادتين " قابلتان للامتزاج في جميع النسب" (أو "قابلتان للامتزاج" فقط). ^[2]

يمكن أن يكون المذاب صلبًا أو سائلًا أو غازًا ، بينما يكون المذيب عادةً صلبًا أو سائلًا. قد يكون كلاهما مواد نقية، أو قد يكونان في حد ذاتهما محاليل. الغازات قابلة للامتزاج دائمًا بجميع النسب، باستثناء المواقف المتطرفة للغاية، ^[3] ويمكن "إذابة" مادة صلبة أو سائلة في غاز فقط عن طريق المرور إلى الحالة الغازية أولاً.

تعتمد الذوبانية بشكل أساسي على تركيبة المذاب والمذيب (بما في ذلك الرقم الهيدروجيني ووجود مواد مذابة أخرى) بالإضافة إلى درجة الحرارة والضغط. يمكن تفسير التبعية غالبًا من حيث التفاعلات بين الجسيمات ( الذرات أو الجزيئات أو الأيونات ) للمادتين، والمفاهيم الديناميكية الحرارية مثل المحتوى الحراري والإنتروبيا .

في ظل ظروف معينة، يمكن أن يتجاوز تركيز المذاب حد ذوبانه المعتاد. والنتيجة هي محلول مشبع للغاية ، وهو غير مستقر وسيستبعد بسرعة المذاب الزائد إذا ظهر موقع نواة مناسب . ^[4]

لا ينطبق مفهوم الذوبان عندما يكون هناك تفاعل كيميائي غير قابل للعكس بين المادتين، مثل تفاعل هيدروكسيد الكالسيوم مع حمض الهيدروكلوريك ؛ حتى وإن كان من الممكن القول بشكل غير رسمي أن أحدهما "أذاب" الآخر. كما أن الذوبان ليس هو نفسه معدل المحلول ، وهو مدى سرعة ذوبان المذاب الصلب في المذيب السائل. تعتمد هذه الخاصية على العديد من المتغيرات الأخرى، مثل الشكل الفيزيائي للمادتين وطريقة وكثافة الاختلاط.

يعد مفهوم الذوبان وقياسه مهمين للغاية في العديد من العلوم إلى جانب الكيمياء، مثل الجيولوجيا والأحياء والفيزياء وعلم المحيطات ، وكذلك في الهندسة والطب والزراعة ، وحتى في الأنشطة غير التقنية مثل الرسم والتنظيف والطهي والتخمير . تحدث معظم التفاعلات الكيميائية ذات الأهمية العلمية أو الصناعية أو العملية فقط بعد إذابة الكواشف في مذيب مناسب. يعد الماء أكثر المذيبات شيوعًا .

يُستخدم مصطلح "قابل للذوبان" أحيانًا للمواد التي يمكنها تكوين معلقات غروانية من جزيئات صلبة دقيقة للغاية في سائل. ^[5] ومع ذلك، فإن قابلية الذوبان الكمي لمثل هذه المواد ليست محددة جيدًا بشكل عام.

يتم التعبير عن ذوبان مادة مذابة معينة في مذيب معين بشكل عام على أنه تركيز محلول مشبع من الاثنين. ^[1] يمكن استخدام أي من الطرق العديدة للتعبير عن تركيز المحاليل، مثل الكتلة أو الحجم أو الكمية بالمول من المذاب لكتلة أو حجم أو كمية مولية معينة من المذيب أو المحلول.

على وجه الخصوص، غالبًا ما تعبر الكتيبات الكيميائية عن الذوبان بجرامات المذاب لكل 100 مليلتر من المذيب (جم/(100 مل، وغالبًا ما تُكتب على هيئة جم/100 مل)، أو بجرامات المذاب لكل ديسيلتر من المذيب (جم/ديسيلتر)؛ أو، وهو أقل شيوعًا، بجرامات المذاب لكل لتر من المذيب (جم/لتر). يمكن بدلاً من ذلك التعبير عن كمية المذيب بالكتلة، بجرامات المذاب لكل 100 جرام من المذيب (جم/(100 جم، وغالبًا ما تُكتب على هيئة جم/100 جم)، أو بجرامات المذاب لكل كيلوجرام من المذيب (جم/كجم). يمكن التعبير عن الرقم كنسبة مئوية في هذه الحالة، ويمكن استخدام الاختصار "w/w" للإشارة إلى "الوزن لكل وزن". ^[6] (القيم بالجم/لتر والجم/كجم متشابهة بالنسبة للماء، ولكن قد لا تكون هذه هي الحال بالنسبة للمذيبات الأخرى.)

وبدلًا من ذلك، يمكن التعبير عن ذوبان المذاب بالمولات بدلًا من الكتلة. على سبيل المثال، إذا تم تحديد كمية المذيب بالكيلوجرامات ، فإن القيمة هي مولالية المحلول (مول/كجم).

يمكن أيضًا التعبير عن قابلية ذوبان مادة ما في سائل على أنها كمية المذاب لكل كمية من المحلول ، وليس المذيب. على سبيل المثال، وفقًا للممارسة الشائعة في المعايرة ، يمكن التعبير عنها على أنها مولات المذاب لكل لتر من المحلول (مول/لتر)، مولارية الأخير.

في سياقات أكثر تخصصًا، يمكن تحديد الذوبان من خلال الكسر المولي (مولات المذاب لكل إجمالي مولات المذاب بالإضافة إلى المذيب) أو من خلال الكسر الكتلي في حالة التوازن (كتلة المذاب لكل كتلة من المذاب بالإضافة إلى المذيب). وكلاهما أرقام بلا أبعاد بين 0 و1 ويمكن التعبير عنها كنسب مئوية (%).

بالنسبة لمحاليل السوائل أو الغازات في السوائل، يمكن إعطاء كميات كلتا المادتين بالحجم بدلاً من الكتلة أو الكمية المولية؛ مثل لتر من المذاب لكل لتر من المذيب، أو لتر من المذاب لكل لتر من المحلول. يمكن إعطاء القيمة كنسبة مئوية، ويمكن استخدام الاختصار "v/v" لـ "الحجم لكل حجم" للإشارة إلى هذا الاختيار.

قد لا يكون التحويل بين هذه الطرق المختلفة لقياس الذوبان أمرًا تافهًا، لأنه قد يتطلب معرفة كثافة المحلول - والتي غالبًا لا يتم قياسها ولا يمكن التنبؤ بها. وبينما يتم الحفاظ على الكتلة الإجمالية عن طريق الذوبان، فقد يختلف الحجم النهائي عن كل من حجم المذيب ومجموع الحجمين. ^[7]

علاوة على ذلك، فإن العديد من المواد الصلبة (مثل الأحماض والأملاح ) تتفكك بطرق غير تافهة عند إذابتها؛ وعلى العكس من ذلك، قد يشكل المذيب معقدات تنسيقية مع جزيئات أو أيونات المذاب. في هذه الحالات، لا يكون مجموع مولات جزيئات المذاب والمذيب هو في الحقيقة إجمالي مولات الجسيمات المستقلة في المحلول. لتجنب هذه المشكلة، يتم عادةً حساب الذوبان لكل مول من المحلول ويتم اقتباسه كما لو أن المذاب لا يتفكك أو يشكل معقدات - أي من خلال التظاهر بأن الكمية المولية للمحلول هي مجموع الكميات المولية للمادتين.

يتراوح مدى الذوبان على نطاق واسع، من قابل للذوبان بشكل لا نهائي (بدون حدود، أي قابل للامتزاج ^[2] ) مثل الإيثانول في الماء، إلى غير قابل للذوبان بشكل أساسي، مثل ثاني أكسيد التيتانيوم في الماء. كما يتم استخدام عدد من المصطلحات الوصفية الأخرى لوصف مدى الذوبان لتطبيق معين. على سبيل المثال، يعطي دستور الأدوية الأمريكي المصطلحات التالية، وفقًا لكتلة المذيب m _sv المطلوبة لإذابة وحدة كتلة m _su من المذاب: ^[8] (ذوبان الأمثلة تقريبي، للماء عند 20-25 درجة مئوية.)

شرط	المدى ( م سيفرت / م سو )	مثال	جرام/ديسيلتر	م س ف / م س س
قابل للذوبان للغاية	<1	نترات الكالسيوم	158.7	0.63
قابل للذوبان بحرية	1 الى 10	كلوريد الكالسيوم	65	1.54
قابل للذوبان	10 الى 30	أكسالات الصوديوم	3.9	26
قابل للذوبان بشكل ضئيل	30 الى 100
قابل للذوبان قليلا	100 إلى 1000	كبريتات الكالسيوم	0.21	490
قابل للذوبان بشكل طفيف جدًا	1000 إلى 10000	فوسفات ثنائي الكالسيوم	0.02	5000
غير قابل للذوبان عمليا أو غير قابل للذوبان	≥ 10000	كبريتات الباريوم	0.000245	409000

قد تعتمد الحدود اللازمة لوصف شيء ما بأنه غير قابل للذوبان، أو مصطلحات مماثلة، على التطبيق. على سبيل المثال، تنص إحدى المصادر على أن المواد توصف بأنها "غير قابلة للذوبان" عندما تكون قابليتها للذوبان أقل من 0.1 جرام لكل 100 مل من المذيب. ^[9]

تحدث الذوبانية في ظل التوازن الديناميكي، مما يعني أن الذوبانية تنتج عن العمليات المتزامنة والمتعارضة للتحلل والانضمام الطوري (على سبيل المثال ترسيب المواد الصلبة ). تحدث حالة مستقرة من توازن الذوبانية عندما تكون معدلات التحلل وإعادة الانضمام متساوية، مما يعني أن الكميات النسبية للمواد المذابة وغير المذابة متساوية. إذا تمت إزالة المذيب، يتم استعادة كل المادة التي ذابت.

يُستخدم مصطلح الذوبان أيضًا في بعض المجالات حيث يتغير المذاب عن طريق التحلل الذائب . على سبيل المثال، يُقال إن العديد من المعادن وأكاسيدها " قابلة للذوبان في حمض الهيدروكلوريك"، على الرغم من أن الحمض المائي في الواقع يحلل المادة الصلبة بشكل لا رجعة فيه لإعطاء منتجات قابلة للذوبان. تتفكك معظم المواد الصلبة الأيونية عند إذابتها في المذيبات القطبية. في تلك الحالات التي لا يتم فيها استعادة المذاب عند تبخر المذيب، يشار إلى العملية باسم التحلل الذائب. لا ينطبق المفهوم الديناميكي الحراري للذوبان بشكل مباشر على التحلل الذائب.

عندما يذوب المذاب، فإنه قد يشكل عدة أنواع في المحلول. على سبيل المثال، يمكن للمحلول المائي لكلوريد الكوبالت (II) أن يوفر [Co(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ ، [CoCl(H ₂ O) ₅ ] ⁺ ، CoCl ₂ (H ₂ O) ₂ ، وكل منها يتحول إلى الآخر.

يتم تحديد قابلية الذوبان لمراحل محددة . على سبيل المثال، من المتوقع أن تختلف قابلية ذوبان الأراجونيت والكالسيت في الماء، على الرغم من أنهما عبارة عن أشكال متعددة من كربونات الكالسيوم ولهما نفس الصيغة الكيميائية . [ ^{بحاجة لتوضيح ]}

تتحدد قابلية ذوبان مادة ما في مادة أخرى من خلال توازن القوى بين الجزيئات بين المذيب والمذاب، والتغير في الإنتروبيا الذي يصاحب عملية الذوبان. وستعمل عوامل مثل درجة الحرارة والضغط على تغيير هذا التوازن، وبالتالي تغيير قابلية الذوبان.

قد تعتمد الذوبانية أيضًا بشكل كبير على وجود أنواع أخرى مذابة في المذيب، على سبيل المثال، الأنيونات المكونة للمعقدات ( الربيطات ) في السوائل. ستعتمد الذوبانية أيضًا على زيادة أو نقص أيون مشترك في المحلول ^{[ يحتاج إلى توضيح ]} ، وهي ظاهرة تُعرف باسم تأثير الأيون المشترك . وإلى حد أقل، ستعتمد الذوبانية على القوة الأيونية للحلول. يمكن تحديد التأثيرين الأخيرين باستخدام معادلة توازن الذوبانية .

بالنسبة لمادة صلبة تذوب في تفاعل أكسدة-اختزال، من المتوقع أن تعتمد الذوبانية على الجهد (ضمن نطاق الجهد الذي يظل فيه الصلب في طور مستقر ترموديناميكيًا). على سبيل المثال، لوحظ أن ذوبان الذهب في الماء عالي الحرارة أعلى بنحو مرتبة واحدة (أي أعلى بنحو عشرة أضعاف) عندما يتم التحكم في جهد الأكسدة-الاختزال باستخدام محلول مؤكسد للغاية من Fe 3 _O 4 _-Fe 2 _O 3 _مقارنة بمحلول مؤكسد معتدل من Ni - NiO . ^[10]

تعتمد الذوبانية (غير المستقرة، عند تركيزات تقترب من التشبع) أيضًا على الحجم الفيزيائي للبلورة أو قطرة المذاب (أو، بالمعنى الدقيق للكلمة، على مساحة السطح المحددة أو مساحة السطح المولية للمذاب). ^[11] للقياس الكمي، راجع المعادلة في المقالة حول توازن الذوبانية . بالنسبة للبلورات المعيبة للغاية، قد تزداد الذوبانية مع زيادة درجة الاضطراب. يحدث كلا التأثيرين بسبب اعتماد ثابت الذوبان على طاقة جيبس ​​للبلورة. التأثيران الأخيران، على الرغم من صعوبة قياسهما غالبًا، لهما أهمية عملية. ^{[ بحاجة لمصدر ]} على سبيل المثال، يوفران القوة الدافعة للشيخوخة المترسبة (يزداد حجم البلورة تلقائيًا بمرور الوقت).

ذوبان مادة مذابة معينة في مذيب معين هو دالة على درجة الحرارة. اعتمادًا على التغير في المحتوى الحراري (Δ H ) لتفاعل الذوبان، أي على الطبيعة الماصة للحرارة (Δ H  > 0) أو الطاردة للحرارة (Δ H  < 0) لتفاعل الذوبان، قد تزيد أو تنقص ذوبان مركب معين مع درجة الحرارة. تربط معادلة فان ت هوف بين تغير ثابت توازن الذوبان ( K _sp ) وتغير درجة الحرارة وتغير المحتوى الحراري للتفاعل . بالنسبة لمعظم المواد الصلبة والسائلة، تزداد ذوبانها مع درجة الحرارة لأن تفاعل ذوبانها ماص للحرارة (Δ H  > 0). ^[12] في الماء السائل عند درجات حرارة عالية (على سبيل المثال تلك التي تقترب من درجة الحرارة الحرجة )، تميل ذوبان المواد المذابة الأيونية إلى الانخفاض بسبب تغير خصائص وبنية الماء السائل؛ يؤدي انخفاض ثابت العزل إلى مذيب أقل استقطابًا وإلى تغيير في طاقة الترطيب التي تؤثر على ΔG لتفاعل الذوبان.

تظهر المواد المذابة الغازية سلوكًا أكثر تعقيدًا مع درجة الحرارة. فمع ارتفاع درجة الحرارة، تصبح الغازات أقل قابلية للذوبان في الماء (تفاعل الذوبان الطارد للحرارة المرتبط بترطيبها) (إلى الحد الأدنى، وهو أقل من 120 درجة مئوية لمعظم الغازات الدائمة ^[13] )، ولكنها أكثر قابلية للذوبان في المذيبات العضوية (تفاعل الذوبان الطارد للحرارة المرتبط بإذابتها). ^[12]

يوضح الرسم البياني منحنيات الذوبان لبعض الأملاح غير العضوية الصلبة النموذجية في الماء السائل (درجة الحرارة بالدرجات المئوية ، أي كلفن ناقص 273.15). ^[14] تتصرف العديد من الأملاح مثل نترات الباريوم وزرنيخات الهيدروجين ثنائية الصوديوم ، وتظهر زيادة كبيرة في الذوبان مع درجة الحرارة (Δ H  > 0). تظهر بعض المواد المذابة (مثل كلوريد الصوديوم في الماء) قابلية ذوبان مستقلة إلى حد ما عن درجة الحرارة (Δ H  ≈ 0). يصبح القليل منها، مثل كبريتات الكالسيوم ( الجبس ) وكبريتات السيريوم (III) ، أقل قابلية للذوبان في الماء مع زيادة درجة الحرارة (Δ H  < 0). ^[15] وهذا هو الحال أيضًا بالنسبة لهيدروكسيد الكالسيوم ( البورتلانديت )، الذي تبلغ قابليته للذوبان عند 70 درجة مئوية حوالي نصف قيمته عند 25 درجة مئوية. كما أن إذابة هيدروكسيد الكالسيوم في الماء هي أيضًا عملية طاردة للحرارة (Δ H  < 0). كما تمليه معادلة فان ت هوف ومبدأ لوشاتلييه ، فإن درجات الحرارة المنخفضة تفضل إذابة Ca(OH) ₂ . تزداد قابلية ذوبان البورتلانديت عند درجات الحرارة المنخفضة. يُشار إلى هذا الاعتماد على درجة الحرارة أحيانًا باسم "الذوبان الرجعي" أو "العكسي". ^{[ بحاجة لمصدر ]} في بعض الأحيان، يُلاحظ نمط أكثر تعقيدًا، كما هو الحال مع كبريتات الصوديوم ، حيث تفقد بلورة ديكا هيدرات الأقل قابلية للذوبان ( ميرابيليت ) ماء التبلور عند 32 درجة مئوية لتكوين طور لا مائي أكثر قابلية للذوبان ( ثينارديت ) مع تغير أصغر في طاقة جيبس ​​الحرة (ΔG ) في تفاعل الذوبان. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

تزداد قابلية ذوبان المركبات العضوية دائمًا تقريبًا مع درجة الحرارة. تعتمد تقنية إعادة التبلور ، المستخدمة لتنقية المواد الصلبة، على قابلية ذوبان المذاب المختلفة في المذيب الساخن والبارد. توجد استثناءات قليلة، مثل بعض السيكلوديكسترينات . ^[16]

بالنسبة للمراحل المكثفة (المواد الصلبة والسائلة)، فإن اعتماد الضغط على الذوبان يكون ضعيفًا عادةً وعادةً ما يتم إهماله في الممارسة العملية. وبافتراض الحل المثالي ، يمكن قياس الاعتماد على النحو التالي:

${\displaystyle \left({\frac {\partial \ln N_{i}}{\partial P}}\right)_{T}=-{\frac {V_{i,aq}-V_{i,cr}}{RT}}}$

حيث يكرر المؤشر المكونات، هو الكسر المولي للمكون - في المحلول، هو الضغط، يشير المؤشر إلى درجة الحرارة الثابتة، هو الحجم المولي الجزئي للمكون - في المحلول، هو الحجم المولي الجزئي للمكون - في المادة الصلبة المذابة، و هو ثابت الغاز العالمي . ^[17]${\displaystyle i}$${\displaystyle N_{i}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle P}$${\displaystyle T}$${\displaystyle V_{i,aq}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle V_{i,cr}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle R}$

إن اعتماد الذوبان على الضغط له أهمية عملية في بعض الأحيان. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تراكم كبريتات الكالسيوم في حقول النفط والآبار (التي تقل قابليتها للذوبان مع انخفاض الضغط) إلى انخفاض الإنتاجية بمرور الوقت.

يستخدم قانون هنري لقياس قابلية ذوبان الغازات في المذيبات. إن قابلية ذوبان الغاز في المذيب تتناسب طرديًا مع الضغط الجزئي لذلك الغاز فوق المذيب. هذه العلاقة تشبه قانون راؤول ويمكن كتابتها على النحو التالي:

${\displaystyle p=k_{\rm {H}}\,c}$

حيث هو ثابت يعتمد على درجة الحرارة (على سبيل المثال، 769.2 لتر ضغط جوي / مول للأكسجين ( O2 ₎ في الماء عند 298 كلفن)، هو الضغط الجزئي (بالضغط الجوي)، و هو تركيز الغاز المذاب في السائل (بالمول/لتر) .${\displaystyle k_{\rm {H}}}$${\displaystyle p}$${\displaystyle c}$

يتم أحيانًا أيضًا تحديد قابلية ذوبان الغازات باستخدام معامل ذوبان بنسن .

في وجود فقاعات صغيرة ، لا تعتمد قابلية ذوبان الغاز على نصف قطر الفقاعة بأي طريقة أخرى غير تأثير نصف القطر على الضغط (أي أن قابلية ذوبان الغاز في السائل عند ملامسة فقاعات صغيرة تزداد بسبب زيادة الضغط بمقدار Δ p  = 2γ/ r ؛ انظر معادلة يونج لابلاس ). ^[18]

قانون هنري صالح للغازات التي لا تخضع لتغير في التركيب الكيميائي عند الذوبان. يوضح قانون سيفرت حالة لا ينطبق فيها هذا الافتراض.

يتأثر ذوبان ثاني أكسيد الكربون في مياه البحر أيضًا بدرجة الحرارة ودرجة حموضة المحلول ومحلول الكربونات العازل. كما أن انخفاض ذوبان ثاني أكسيد الكربون في مياه البحر عند ارتفاع درجة الحرارة هو أيضًا عامل رجعي مهم (تغذية راجعة إيجابية) يؤدي إلى تفاقم التغيرات المناخية الماضية والمستقبلية كما هو موضح في نوى الجليد من موقع فوستوك في القارة القطبية الجنوبية . على مقياس الزمن الجيولوجي ، وبسبب دورات ميلانكوفيتش ، عندما تتغير المعلمات الفلكية لمدار الأرض ومحور دورانها تدريجيًا وتعدل الإشعاع الشمسي على سطح الأرض، تبدأ درجة الحرارة في الارتفاع. عندما تبدأ فترة ذوبان الجليد، يطلق الاحترار التدريجي للمحيطات ثاني أكسيد الكربون _في الغلاف الجوي بسبب ذوبانه المنخفض في مياه البحر الدافئة. في المقابل، تزيد مستويات ثاني أكسيد الكربون الأعلى _في الغلاف الجوي من تأثير الاحتباس الحراري ويعمل ثاني أكسيد الكربون كمضخم للاحترار العام.

هناك مقولة شائعة تستخدم للتنبؤ بالذوبان وهي " مثل يذوب مثل " والتي يتم التعبير عنها أيضًا في اللغة اللاتينية باسم " Similia similibus solventur ". ^[19] يشير هذا البيان إلى أن المذاب سوف يذوب بشكل أفضل في مذيب له بنية كيميائية مماثلة لنفسه، بناءً على إنتروبيا الخلط المواتية . هذه النظرة تبسيطية، لكنها قاعدة مفيدة. تعتمد سعة المذيب الكلية على قطبيته في المقام الأول . [ ^أ] على سبيل المثال، المذاب شديد القطبية ( محب للماء ) مثل اليوريا قابل للذوبان للغاية في الماء شديد القطبية، وأقل قابلية للذوبان في الميثانول القطبي إلى حد ما ، وغير قابل للذوبان عمليًا في المذيبات غير القطبية مثل البنزين . على النقيض من ذلك، فإن المذاب غير القطبي أو المحب للدهون مثل النفثالين غير قابل للذوبان في الماء، وقابل للذوبان إلى حد ما في الميثانول، وقابل للذوبان بدرجة كبيرة في البنزين غير القطبي. ^[20]

بمصطلحات أكثر بساطة، فإن المركب الأيوني البسيط (مع أيونات موجبة وسالبة) مثل كلوريد الصوديوم (ملح الطعام الشائع) قابل للذوبان بسهولة في مذيب شديد الاستقطاب (مع بعض الفصل بين الشحنات الموجبة (δ+) والسلبية (δ-) في الجزيء التساهمي) مثل الماء ، وبالتالي فإن البحر مالح لأنه يتراكم فيه الأملاح المذابة منذ العصور الجيولوجية المبكرة.

تعتمد الذوبانية على إنتروبيا الاختلاط (Δ S ) وتعتمد على إنثالبي الذوبان (Δ H ) والتأثير الكاره للماء . تعتمد الطاقة الحرة للذوبان ( طاقة جيبس ) على درجة الحرارة وتعطى بالعلاقة: Δ G = Δ H – TΔ S. كلما كانت قيمة Δ G أصغر كلما كانت الذوبانية أكبر.

غالبًا ما يستغل الكيميائيون الاختلافات في قابلية الذوبان لفصل المركبات وتنقيتها من مخاليط التفاعل، باستخدام تقنية الاستخلاص من سائل إلى سائل . وينطبق هذا على مجالات واسعة من الكيمياء بدءًا من تخليق الأدوية إلى إعادة معالجة الوقود النووي المستنفد .

الذوبان ليس عملية لحظية. إن معدل الذوبان (بالكيلوجرام/ثانية) مرتبط بحاصل الذوبان ومساحة سطح المادة. قد تعتمد السرعة التي يذوب بها الصلب على بلوريته أو افتقاره إليها في حالة المواد الصلبة غير المتبلورة ومساحة السطح (حجم البلورة) ووجود تعدد الأشكال . توضح العديد من الأنظمة العملية هذا التأثير، على سبيل المثال في تصميم طرق لتوصيل الأدوية الخاضعة للرقابة . في بعض الحالات، قد يستغرق إنشاء توازنات الذوبان وقتًا طويلاً (ساعات أو أيام أو أشهر أو سنوات عديدة؛ اعتمادًا على طبيعة المذاب وعوامل أخرى).

يمكن التعبير عن معدل التحلل غالبًا بواسطة معادلة نويس-ويتني أو معادلة نيرنست وبرونر ^[21] من النموذج:

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} m}{\mathrm {d} t}}=A{\frac {D}{d}}(C_{\mathrm {s} }-C_{\mathrm {b} })}$

أين:

• ${\displaystyle م}$= كتلة المادة المذابة
• ${\displaystyle t}$= الوقت
• ${\displaystyle A}$= مساحة السطح الفاصل بين المادة المذابة والمذيب
• ${\displaystyle D}$= معامل الانتشار
• ${\displaystyle d}$= سمك الطبقة الحدودية للمذيب على سطح المادة المذابة
• ${\displaystyle C_{s}}$= تركيز كتلة المادة على السطح
• ${\displaystyle C_{b}}$= تركيز كتلة المادة في كتلة المذيب

بالنسبة للذوبان المحدود بالانتشار (أو نقل الكتلة إذا كان هناك خلط)، يساوي قابلية ذوبان المادة. عندما يتم تطبيع معدل ذوبان مادة نقية على مساحة سطح المادة الصلبة (والتي تتغير عادةً مع الوقت أثناء عملية الذوبان)، يتم التعبير عنها بالكيلوجرام/م ² /ثانية ويشار إليها باسم "معدل الذوبان الجوهري". يتم تعريف معدل الذوبان الجوهري بواسطة دستور الأدوية الأمريكي . ${\displaystyle C_{s}}$

تختلف معدلات الذوبان باختلاف الأنظمة المختلفة. وعادةً ما تتزامن معدلات الذوبان المنخفضة للغاية مع قابليات ذوبان منخفضة، وتُظهِر المواد ذات القابليات العالية للذوبان معدلات ذوبان عالية، كما تشير معادلة نويز-ويتني.

تُستخدم ثوابت الذوبان لوصف المحاليل المشبعة للمركبات الأيونية ذات الذوبان المنخفض نسبيًا (انظر توازن الذوبان ). ثابت الذوبان هو حالة خاصة من ثابت التوازن . نظرًا لأنه حاصل ضرب تركيزات الأيونات في حالة التوازن، يُعرف أيضًا باسم حاصل الذوبان . يصف التوازن بين الأيونات المذابة من الملح والملح غير المذاب. ثابت الذوبان "قابل للتطبيق" أيضًا (أي مفيد) على الترسيب ، وهو عكس تفاعل الذوبان. كما هو الحال مع ثوابت التوازن الأخرى، يمكن أن تؤثر درجة الحرارة على القيمة العددية لثابت الذوبان. في حين أن ثابت الذوبان ليس بسيطًا مثل الذوبان، فإن قيمة هذا الثابت تكون عمومًا مستقلة عن وجود أنواع أخرى في المذيب.

نظرية محلول فلوري -هوجينز هي نموذج نظري يصف قابلية ذوبان البوليمرات. تعد معاملات ذوبان هانسن ومعاملات ذوبان هيلدبراند طرقًا تجريبية للتنبؤ بالذوبان. ومن الممكن أيضًا التنبؤ بالذوبان من ثوابت فيزيائية أخرى مثل المحتوى الحراري للاندماج .

معامل توزيع الأوكتانول-الماء ، والذي يُعبر عنه عادةً باللوغاريتم (Log P)، هو مقياس للذوبان التفاضلي لمركب في مذيب كاره للماء ( 1-أوكتانول ) ومذيب محب للماء (ماء). يتيح لوغاريتم هاتين القيمتين تصنيف المركبات من حيث المحبة للماء (أو الكارهة للماء).

يتم عادة إعطاء التغير في الطاقة المرتبط بالذوبان لكل مول من المذاب على هيئة إنثالبي المحلول .

تتمتع القابلية للذوبان بأهمية أساسية في عدد كبير من التخصصات العلمية والتطبيقات العملية، بدءًا من معالجة الخام وإعادة المعالجة النووية إلى استخدام الأدوية ونقل الملوثات.

غالبًا ما يُقال إن الذوبان هو أحد "الخصائص المميزة للمادة"، مما يعني أن الذوبان يُستخدم عادةً لوصف المادة، للإشارة إلى قطبية المادة، للمساعدة في تمييزها عن المواد الأخرى، وكدليل على تطبيقات المادة. على سبيل المثال، يوصف النيلي بأنه "غير قابل للذوبان في الماء أو الكحول أو الأثير ولكنه قابل للذوبان في الكلوروفورم أو النتروبنزين أو حمض الكبريتيك المركز ". ^[22]

إن قابلية ذوبان المادة مفيدة عند فصل المخاليط. على سبيل المثال، يمكن فصل خليط من الملح ( كلوريد الصوديوم ) والسيليكا عن طريق إذابة الملح في الماء، وترشيح السيليكا غير المذابة. إن تركيب المركبات الكيميائية، بالملليجرام في المختبر، أو بالطن في الصناعة، يستخدم كلاهما قابلية الذوبان النسبية للمنتج المطلوب، بالإضافة إلى المواد الأولية غير المتفاعلة، والمنتجات الثانوية، والمنتجات الجانبية لتحقيق الفصل.

مثال آخر على ذلك هو تخليق حمض البنزويك من بروميد فينيل المغنيسيوم والثلج الجاف . حمض البنزويك أكثر قابلية للذوبان في مذيب عضوي مثل ثنائي كلورو الميثان أو ثنائي إيثيل الإيثر ، وعندما يتم رجّه بهذا المذيب العضوي في قمع فصل ، فإنه يذوب بشكل تفضيلي في الطبقة العضوية. ستبقى منتجات التفاعل الأخرى، بما في ذلك بروميد المغنيسيوم، في الطبقة المائية، مما يدل بوضوح على تحقيق الفصل على أساس الذوبان. هذه العملية، المعروفة باسم الاستخلاص سائل-سائل ، هي تقنية مهمة في الكيمياء الاصطناعية . يتم استخدام إعادة التدوير لضمان أقصى قدر من الاستخلاص.

في الأنظمة المتدفقة، غالبًا ما تحدد الاختلافات في قابلية الذوبان انتقال الأنواع عن طريق الذوبان والترسيب. يحدث هذا عندما تتعرض أجزاء مختلفة من النظام لظروف مختلفة. حتى الظروف المختلفة قليلاً يمكن أن تؤدي إلى تأثيرات كبيرة، إذا توفر الوقت الكافي.

على سبيل المثال، وجد أن المركبات ذات القابلية المنخفضة للذوبان تذوب في بيئات أكثر تطرفًا، مما يؤدي إلى تأثيرات جيوكيميائية وجيولوجية لنشاط السوائل الحرارية المائية في قشرة الأرض. غالبًا ما تكون هذه مصدرًا للرواسب المعدنية الاقتصادية عالية الجودة والأحجار الكريمة أو شبه الكريمة. وعلى نفس النحو، تذوب المركبات ذات القابلية المنخفضة للذوبان على مدى فترة زمنية ممتدة (الوقت الجيولوجي)، مما يؤدي إلى تأثيرات كبيرة مثل أنظمة الكهوف الواسعة أو الأسطح الأرضية الكارستية.

تذوب بعض المركبات الأيونية ( الأملاح ) في الماء، وينشأ ذلك بسبب التجاذب بين الشحنات الموجبة والسالبة (انظر: المذيب ). على سبيل المثال _، تجذب الأيونات الموجبة للملح (مثل Ag ⁺ ) ذرة الأكسجين السالبة جزئيًا في H2O _. وبالمثل، تجذب الأيونات السالبة للملح (مثل Cl ⁻ ) ذرات الهيدروجين الموجبة جزئيًا في H2O . ملاحظة: ذرة الأكسجين سالبة جزئيًا لأنها أكثر كهرسلبية من الهيدروجين، والعكس صحيح (انظر: القطبية الكيميائية ).

AgCl _(ق) ⇌ Ag ⁺ _(aq) + Cl ⁻ _(aq)

ومع ذلك، هناك حد لكمية الملح التي يمكن إذابتها في حجم معين من الماء. هذا التركيز هو قابلية الذوبان ويرتبط بحاصل الذوبان ، K _sp . يعتمد ثابت التوازن هذا على نوع الملح ( AgCl مقابل NaCl ، على سبيل المثال)، ودرجة الحرارة، وتأثير الأيون المشترك.

يمكن حساب كمية AgCl التي تذوب في لتر واحد من الماء النقي على النحو التالي:

K _sp = [Ag ⁺ ] × [Cl ⁻ ] / M ² (تعريف حاصل الذوبان؛ M = mol/L)

K _sp = 1.8 × 10 ⁻¹⁰ (من جدول منتجات الذوبان)

[Ag ⁺ ] = [Cl ⁻ ]، في غياب أملاح الفضة أو الكلوريد الأخرى، لذا

[Ag ⁺ ] ² = 1.8 × 10 ⁻¹⁰ م ²

[Ag ⁺ ] = 1.34 × 10 ⁻⁵ مول/لتر

النتيجة: يمكن لـ 1 لتر من الماء أن يذيب 1.34 × 10 ⁻⁵ مول من AgCl في درجة حرارة الغرفة. وبالمقارنة مع الأملاح الأخرى، فإن AgCl ضعيف الذوبان في الماء. على سبيل المثال، يحتوي ملح الطعام ( NaCl ) على K _sp = 36 أعلى بكثير ، وبالتالي فهو أكثر قابلية للذوبان. يقدم الجدول التالي نظرة عامة على قواعد الذوبان للمركبات الأيونية المختلفة.

قابل للذوبان	غير قابل للذوبان [23]
المجموعة الأولى ومركبات NH 4 + (باستثناء فوسفات الليثيوم)	الكربونات (ما عدا المجموعة الأولى ومركبات NH4 + واليورانيل )
النترات	الكبريتيت (باستثناء المجموعة الأولى ومركبات NH 4 + )
الأسيتات (الإيثانوات) (باستثناء المركبات المحتوية على الفضة )	الفوسفات (باستثناء المجموعة الأولى ومركبات NH 4 + (باستثناء Li + ))
الكلوريدات (الكلورات والبيركلورات) والبروميدات واليوديدات ( باستثناء Ag + و Pb 2+ و Cu + و Hg 2 2+ )	الهيدروكسيدات والأكاسيد (ما عدا المجموعة الأولى ، NH 4 + ، Ba 2+ ، Sr 2+ و Tl + )
الكبريتات (باستثناء Ag + و Pb 2+ و Ba 2+ و Sr 2+ و Ca 2+ )	الكبريتيدات (باستثناء المجموعة الأولى والمجموعة الثانية ومركبات NH 4 + )

إن المبدأ الموضح أعلاه تحت القطبية، والذي ينص على أن المتشابه يذوب مثله ، هو الدليل المعتاد على الذوبان في الأنظمة العضوية. على سبيل المثال، يذوب الفازلين في البنزين لأن الفازلين والبنزين عبارة عن هيدروكربونات غير قطبية. من ناحية أخرى، لن يذوب في الكحول الإيثيلي أو الماء، لأن قطبية هذه المذيبات عالية جدًا. لن يذوب السكر في البنزين، لأن السكر قطبي للغاية مقارنة بالبنزين. وبالتالي يمكن فصل خليط البنزين والسكر عن طريق الترشيح أو الاستخلاص بالماء.

غالبًا ما يستخدم هذا المصطلح في مجال علم المعادن للإشارة إلى المدى الذي يذوب فيه عنصر السبائك في المعدن الأساسي دون تكوين طور منفصل . خط الذوبان أو المنحنى هو الخط (أو الخطوط) على مخطط الطور الذي يوضح حدود إضافة المذاب. أي أن الخطوط توضح الحد الأقصى لكمية المكون التي يمكن إضافتها إلى مكون آخر ولا تزال في محلول صلب . في البنية البلورية للمادة الصلبة، يمكن لعنصر "المذاب" إما أن يحل محل المصفوفة داخل الشبكة (موضع استبدالي؛ على سبيل المثال، الكروم في الحديد) أو أن يأخذ مكانًا في مساحة بين نقاط الشبكة (موضع بيني؛ على سبيل المثال، الكربون في الحديد).

في تصنيع الإلكترونيات الدقيقة، تشير قابلية ذوبان المواد الصلبة إلى أقصى تركيز للشوائب التي يمكن وضعها في الركيزة.

في المركبات الصلبة (على عكس العناصر)، يمكن أن تعتمد قابلية ذوبان عنصر المذاب أيضًا على المراحل المنفصلة في حالة التوازن. على سبيل المثال، يمكن أن تعتمد كمية Sn القابلة للذوبان في طور ZnSb بشكل كبير على ما إذا كانت المراحل المنفصلة في حالة التوازن هي (Zn ₄ Sb ₃ + Sn (L)) أو (ZnSnSb ₂ + Sn (L)). ^[24] بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمركب ZnSb مع Sn كمذاب أن ينفصل إلى مجموعات أخرى من المراحل بعد الوصول إلى حد الذوبان اعتمادًا على التركيب الكيميائي الأولي أثناء التخليق. تنتج كل مجموعة قابلية ذوبان مختلفة لـ Sn في ZnSb. وبالتالي فإن دراسات الذوبان في المركبات، التي تم التوصل إليها عند أول حالة من ملاحظة انفصال المراحل الثانوية قد تقلل من تقدير الذوبان. ^[25] في حين يمكن تحديد الحد الأقصى لعدد المراحل التي تنفصل في وقت واحد في حالة التوازن من خلال قاعدة طور جيبس ، لا يوجد حد لعدد مثل هذه التركيبات التي تنفصل عن بعضها البعض في المركبات الكيميائية. وبالتالي، فإن تحديد "أقصى قابلية للذوبان" في المركبات الصلبة تجريبياً قد يكون صعباً، ويتطلب تحقيق التوازن للعديد من العينات. إذا كان من الممكن تحديد العيب البلوري السائد (معظمها عيوب نقطية بينية أو استبدالية) المتضمن في المحلول الصلب كيميائياً مسبقاً، فإن استخدام بعض المبادئ التوجيهية الديناميكية الحرارية البسيطة يمكن أن يقلل بشكل كبير من عدد العينات المطلوبة لتحديد أقصى قابلية للذوبان. ^[26]

تذوب العديد من المواد بشكل متطابق (أي أن تركيب المادة الصلبة والمذاب المذاب يتطابقان بشكل متكافئ). ومع ذلك، قد تذوب بعض المواد بشكل غير متطابق ، حيث لا يتطابق تركيب المذاب في المحلول مع تركيب المادة الصلبة. ويصاحب هذا الذوبان تغيير "المادة الصلبة الأولية" وربما تكوين مرحلة صلبة ثانوية. ومع ذلك، بشكل عام، تبقى بعض المواد الصلبة الأولية أيضًا وينشأ توازن ذوبان معقد. على سبيل المثال، قد يؤدي إذابة الألبايت إلى تكوين الجيبسيت . ^[27]

NaAlSi ₃ O ₈ (s) + H ⁺ + 7H ₂ O ⇌ Na ⁺ + Al(OH) ₃ (s) + 3H ₄ SiO ₄ .

في هذه الحالة من المتوقع أن تعتمد قابلية ذوبان الألبايت على نسبة المادة الصلبة إلى المذيب، وهذا النوع من القابلية للذوبان له أهمية كبيرة في الجيولوجيا حيث يؤدي إلى تكوين الصخور المتحولة .

من حيث المبدأ، يمكن أن يؤدي كل من الذوبان المتطابق وغير المتطابق إلى تكوين مراحل صلبة ثانوية في حالة توازن. لذا، في مجال علم المواد ، يتم وصف قابلية الذوبان في كلتا الحالتين بشكل أكثر عمومية على مخططات طور التركيب الكيميائي .

الذوبان هو خاصية ذات أهمية في العديد من جوانب العلوم، بما في ذلك على سبيل المثال لا الحصر: التنبؤات البيئية، والكيمياء الحيوية، والصيدلة، وتصميم الأدوية، وتصميم الكيماويات الزراعية، وربط ربيطة البروتين. الذوبان المائي له أهمية أساسية بسبب الوظائف البيولوجية والنقلية الحيوية التي يلعبها الماء. ^{[28] [29] [30]} بالإضافة إلى هذا الاهتمام العلمي الواضح بالذوبان في الماء وتأثيرات المذيبات؛ التنبؤات الدقيقة بالذوبان مهمة صناعيًا. تمثل القدرة على التنبؤ بدقة بذوبان الجزيء وفورات مالية كبيرة محتملة في العديد من عمليات تطوير المنتجات الكيميائية، مثل المستحضرات الصيدلانية. ^[31] في صناعة المستحضرات الصيدلانية، تشكل تنبؤات الذوبان جزءًا من عملية تحسين الرصاص في المرحلة المبكرة لمرشحي الأدوية. تظل الذوبان مصدر قلق طوال الطريق إلى الصياغة. ^[31] تم تطبيق عدد من الأساليب على مثل هذه التنبؤات بما في ذلك العلاقات الكمية بين البنية والنشاط (QSAR) والعلاقات الكمية بين البنية والخصائص (QSPR) وتعدين البيانات . توفر هذه النماذج تنبؤات فعّالة للذوبان وتمثل المعيار الحالي. العيب في هذه النماذج هو أنها قد تفتقر إلى البصيرة الفيزيائية. إن الطريقة القائمة على النظرية الفيزيائية، القادرة على تحقيق مستويات مماثلة من الدقة بتكلفة معقولة، ستكون أداة قوية علميًا وصناعيًا. ^{[32] [33] [34] [35]}

تميل الأساليب القائمة على النظرية الفيزيائية إلى استخدام الدورات الديناميكية الحرارية، وهو مفهوم من الديناميكا الحرارية الكلاسيكية . تتضمن الدورتان الديناميكيتان الحراريتان الشائعتان المستخدمتان إما حساب الطاقة الحرة للتسامي (من الصلب إلى الغاز دون المرور بحالة سائلة) والطاقة الحرة لإذابة جزيء غازي (من الغاز إلى المحلول)، أو الطاقة الحرة للاندماج (من الصلب إلى الطور المنصهر) والطاقة الحرة للخلط (من المنصهر إلى المحلول). يتم تمثيل هاتين العمليتين في المخططات التالية.

تم استخدام هذه الدورات لمحاولات التنبؤ بالمبادئ الأولى (الحل باستخدام المعادلات الفيزيائية الأساسية) باستخدام نماذج المذيبات ذات الدوافع الفيزيائية ، ^[33] لإنشاء معادلات بارامترية ونماذج QSPR ^{[36] [34]} ومجموعات من الاثنين. ^[34] يتيح استخدام هذه الدورات حساب طاقة المذيب الحرة بشكل غير مباشر إما عن طريق الغاز (في دورة التسامي) أو الانصهار (دورة الاندماج). هذا مفيد لأن حساب الطاقة الحرة للمذيب مباشرة أمر صعب للغاية. يمكن تحويل الطاقة الحرة للمذيب إلى قيمة ذوبان باستخدام صيغ مختلفة، والحالة الأكثر عمومية موضحة أدناه، حيث يكون البسط هو الطاقة الحرة للمذيب، و R هو ثابت الغاز و T هي درجة الحرارة بالكلفن . ^[33]

${\displaystyle \log S(V_{m})={\frac {\Delta G_{\text{solvation}}}{-2.303RT}}}$

المعادلات الملائمة المعروفة للتنبؤ بالذوبان هي معادلات الذوبان العامة. تنبع هذه المعادلات من عمل يالكوفسكي وآخرين . ^{[37] [38]} يتم إعطاء الصيغة الأصلية أولاً، تليها صيغة منقحة تأخذ افتراضًا مختلفًا للامتزاج الكامل في الأوكتانول. ^[38]

${\displaystyle \log _{10}(S)=0.8-\log _{10}(P)-0.01({\text{melting point}}-25)}$

${\displaystyle \log _{10}(S)=0.5-\log _{10}(P)-0.01({\text{melting point}}-25)}$

تعتمد هذه المعادلات على مبادئ دورة الاندماج.

• الخاصية المولية الظاهرية  – الفرق في خصائص مول واحد من المادة في خليط مقابل محلول مثالي
• نظام تصنيف المستحضرات الصيدلانية الحيوية  – نظام لتمييز الأدوية على أساس قابليتها للذوبان ونفاذيتها
• قاعدة دوهرينغ  - العلاقة الخطية بين درجات الحرارة التي يمارس عندها محلولان نفس ضغط البخار
• قانون فاجانز-بانيث-هان  – قاعدة كيميائية تتعلق بالترسيب المشترك والامتصاصPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• نموذج المياه SPC المرن  – جانب من الكيمياء الحسابيةPages displaying short descriptions of redirect targets
• قانون هنري  – قانون الغازات فيما يتعلق بتناسب الغاز المذاب
• استخراج الماء الساخن  – طريقة تنظيف السجادPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• هيدروتروب  – مادة كيميائيةPages displaying wikidata descriptions as a fallback
• إذابة الميسيلار  – عملية دمج المذيبات في الميسيلات أو عليها
• قانون راؤول  – قانون الديناميكا الحرارية لضغط بخار الخليط
• معدل الحل  – قدرة المادة على الذوبان بطريقة متجانسةPages displaying short descriptions of redirect targets
• توازن الذوبان  – التوازن الديناميكي الحراري بين مادة صلبة ومحلول من نفس المركب
• معادلة فان ت هوف  – العلاقة بين درجة الحرارة وثابت التوازن للتفاعل الكيميائي