สารละลายน้ำคืออะไร
สารละลายน้ำ คือสารละลายที่ใช้น้ำในการสลายสาร ตัวอย่างเช่นโคลนหรือน้ำน้ำตาล
เมื่อชนิดของสารเคมีละลายในน้ำสิ่งนี้จะถูกเขียนโดย (aq) หลังจากชื่อทางเคมี (Reid, SF)
สารที่ชอบน้ำ (ซึ่งชอบน้ำ) และสารประกอบไอออนิกจำนวนมากละลายหรือแตกตัวในน้ำ
ตัวอย่างเช่นเมื่อเกลือแกงหรือโซเดียมคลอไรด์ละลายในน้ำมันจะแยกตัวออกเป็นไอออนเพื่อสร้าง Na + (aq) และ Cl- (aq)
สารที่ไม่ชอบน้ำ (ที่กลัวน้ำ) โดยทั่วไปจะไม่ละลายในน้ำหรือทำให้เกิดสารละลาย ตัวอย่างเช่นการผสมน้ำมันและน้ำไม่ได้ทำให้เกิดการละลายหรือการแยกตัว
สารประกอบอินทรีย์จำนวนมากไม่ชอบน้ำ อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ละลายสามารถละลายในน้ำ แต่ไม่แยกตัวออกเป็นไอออนและรักษาความสมบูรณ์ของพวกเขาในฐานะโมเลกุล
ตัวอย่างของอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่ ได้แก่ น้ำตาล, กลีเซอรอล, ยูเรียและเมธิลซัลโฟนิลเมทมีน (MSM) (Anne Marie Helmenstine, 2017)
คุณสมบัติของสารละลายน้ำ
สารละลายน้ำมักนำไฟฟ้า สารละลายที่มีอิเล็กโตรไลต์ที่รุนแรงมักจะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี (เช่นน้ำทะเล) ในขณะที่สารละลายที่มีอิเล็กโทรไลต์อ่อนมักจะเป็นตัวนำที่ไม่ดี (เช่นน้ำประปา)
เหตุผลก็คืออิเล็กโทรไลต์ที่แข็งแรงจะแยกตัวออกจากกันอย่างสมบูรณ์ในไอออนในน้ำ
เมื่อปฏิกิริยาทางเคมีเกิดขึ้นระหว่างสปีชีส์ในสารละลายน้ำมักจะเกิดปฏิกิริยาแบบแทนที่สองครั้ง (เรียกอีกอย่างว่า metathesis หรือการทดแทนสองครั้ง)
ในปฏิกิริยาประเภทนี้ประจุบวกของรีเอเจนต์หนึ่งเกิดขึ้นสำหรับไอออนบวกในรีเอเจนต์อื่นโดยปกติจะสร้างพันธะไอออนิก อีกวิธีหนึ่งในการคิดก็คือไอออนที่มีปฏิกิริยาตอบสนอง
ปฏิกิริยาในสารละลายอาจก่อให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่ละลายในน้ำหรือสามารถทำให้เกิดการตกตะกอน
การตกตะกอนเป็นสารประกอบที่มีความสามารถในการละลายต่ำซึ่งมักตกด้านนอกของสารละลายในรูปของแข็ง (Aqueous Solutions, SF)
คำว่ากรดฐานและค่าความเป็นกรดเป็นด่างนั้นใช้กับสารละลายที่เป็นน้ำเท่านั้น ตัวอย่างเช่นคุณสามารถวัดค่า pH ของน้ำมะนาวหรือน้ำส้มสายชู (สารละลายสองตัว) และเป็นกรดอ่อน แต่คุณไม่สามารถรับข้อมูลที่สำคัญจากการทดสอบน้ำมันพืชด้วยกระดาษ pH (Anne Marie Helmenstine, Aqueous Definition, 2017)
ทำไมของแข็งบางตัวละลายในน้ำ
น้ำตาลที่เราใช้ในการทำให้หวานกาแฟหรือชานั้นเป็นของแข็งโมเลกุลซึ่งโมเลกุลแต่ละโมเลกุลจะถูกยึดเข้าด้วยกันโดยแรงระหว่างโมเลกุลที่ค่อนข้างอ่อนแอ
เมื่อน้ำตาลละลายในน้ำพันธะที่อ่อนแอระหว่างโมเลกุลซูโครสแต่ละอันจะสลายตัวลงและโมเลกุล C12H22O11 เหล่านี้จะถูกปล่อยออกมาในสารละลาย
พลังงานจำเป็นต่อการทำลายพันธะระหว่างโมเลกุล C12H22O11 ในซูโครส นอกจากนี้ยังใช้พลังงานในการแยกพันธะไฮโดรเจนในน้ำที่จะต้องถูกขัดจังหวะเพื่อแทรกโมเลกุลซูโครสหนึ่งในสารละลาย
น้ำตาลละลายในน้ำเพราะพลังงานจะถูกปล่อยออกมาเมื่อโมเลกุลของซูโครสเล็กน้อยสร้างพันธะระหว่างโมเลกุลกับโมเลกุลของน้ำขั้วโลก
พันธะอ่อนตัวที่อยู่ระหว่างตัวถูกละลายและตัวทำละลายจะชดเชยพลังงานที่จำเป็นในการปรับเปลี่ยนโครงสร้างของตัวทำละลายบริสุทธิ์และตัวทำละลาย
ในกรณีของน้ำตาลและน้ำกระบวนการนี้ทำงานได้ดีมากจนน้ำตาลซูโครสมากถึง 1, 800 กรัมสามารถละลายในน้ำหนึ่งลิตร
ของแข็งไอออนิก (หรือเกลือ) ประกอบด้วยไอออนบวกและลบซึ่งจัดขึ้นพร้อมกันด้วยแรงดึงดูดอันยิ่งใหญ่ระหว่างอนุภาคที่มีประจุตรงข้าม
เมื่อหนึ่งในของแข็งเหล่านี้ละลายในน้ำไอออนที่เป็นของแข็งจะถูกปล่อยออกมาในสารละลายซึ่งเกี่ยวข้องกับโมเลกุลของตัวทำละลายขั้วโลก (Berkey, 2011)
NaCl (Na) » Na + (aq) + Cl- (aq)
โดยทั่วไปเราสามารถสันนิษฐานได้ว่าเกลือจะแยกตัวออกจากไอออนเมื่อละลายในน้ำ
สารประกอบไอออนิกละลายในน้ำหากพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อไอออนมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลของน้ำชดเชยพลังงานที่จำเป็นในการทำลายพันธะไอออนในของแข็งและพลังงานที่จำเป็นในการแยกโมเลกุลของน้ำเพื่อให้ไอออนสามารถแทรกลงในน้ำ การแก้ปัญหา (Solubility, SF)
กฎการละลาย
ขึ้นอยู่กับความสามารถในการละลายของตัวถูกละลายมีสามผลลัพธ์ที่เป็นไปได้:
1) หากวิธีการแก้ปัญหามีตัวถูกละลายน้อยกว่าจำนวนสูงสุดที่สามารถละลายได้ (การละลายของมัน) มันเป็นวิธีการแก้ปัญหาเจือจาง;
2) ถ้าปริมาณของตัวถูกละลายเท่ากับปริมาณที่ละลายได้แน่นอนมันจะอิ่มตัว
3) หากมีตัวถูกละลายมากกว่าที่จะละลายตัวถูกละลายส่วนเกินจะถูกแยกออกจากสารละลาย
หากกระบวนการแยกนี้รวมถึงการตกผลึกก็จะเกิดการตกตะกอน การตกตะกอนช่วยลดความเข้มข้นของตัวถูกละลายที่จะอิ่มตัวเพื่อเพิ่มความเสถียรของการแก้ปัญหา
ต่อไปนี้เป็นกฎการละลายสำหรับของแข็งอิออนทั่วไป หากกฎสองข้อขัดแย้งกันกฎก่อนหน้านี้มีลำดับความสำคัญ (Antoinette Mursa, 2017)
1- เกลือที่มีองค์ประกอบของกลุ่ม I (Li +, Na +, K +, Cs +, Rb +) ละลายได้ กฎนี้มีข้อยกเว้นเล็กน้อย เกลือที่มีแอมโมเนียมอิออน (NH 4 +) ก็ละลายได้เช่นกัน
2- เกลือที่มีไนเตรต (NO 3 -) ละลายได้โดยทั่วไป
3- เกลือที่มี Cl -, Br - or I - โดยทั่วไปจะละลายได้ ข้อยกเว้นที่สำคัญสำหรับกฎนี้คือเกลือลิดของ Ag +, Pb2 + และ (Hg2) 2+ ดังนั้น AgCl, PbBr 2 และ Hg 2 Cl 2 จึงไม่ละลาย
4- เกลือเงินส่วนใหญ่ไม่ละลายน้ำ AgNO 3 และ Ag (C 2 H 3 O 2 ) เป็นเกลือเงินที่ละลายได้ทั่วไป แทบทั้งหมดไม่สามารถละลายได้
5- เกลือซัลเฟตส่วนใหญ่ละลายได้ ข้อยกเว้นที่สำคัญของกฎนี้ ได้แก่ CaSO 4, BaSO 4, PbSO 4, Ag 2 SO4 และ SrSO 4
6- เกลือไฮดรอกไซด์ส่วนใหญ่ละลายได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น เกลือไฮดรอกไซด์ขององค์ประกอบกลุ่มที่ 1 ละลายได้ เกลือไฮดรอกไซด์ขององค์ประกอบ Group II (Ca, Sr และ Ba) ละลายได้เล็กน้อย
โลหะทรานซิชันไฮดรอกไซด์เกลือและ Al 3 + จะไม่ละลายน้ำ ดังนั้น Fe (OH) 3, Al (OH) 3, Co (OH) 2 จึงไม่สามารถละลายได้
7- ซัลไฟด์โลหะทรานซิชันส่วนใหญ่ไม่สามารถละลายได้สูงรวมถึง CdS, FeS, ZnS และ Ag 2 S. ซัลไฟด์ของสารหนู, พลวง, บิสมัทและตะกั่วก็ไม่ละลายเช่นกัน
8- คาร์บอเนตไม่ละลายบ่อย คาร์บอเนตกลุ่มที่สอง (CaCO 3, SrCO 3 และ BaCO 3 ) ไม่สามารถละลายได้เช่นเดียวกับ FeCO 3 และ PbCO 3
9- โครเมตมักจะไม่ละลายน้ำ ตัวอย่างเช่น PbCrO 4 และ BaCrO 4
10- ฟอสเฟตเช่น Ca 3 (PO 4 ) 2 และ Ag 3 PO 4 มักไม่ละลายน้ำ
11 - ฟลูออไรด์เช่น BaF 2, MgF 2 และ PbF 2 นั้นไม่ละลายน้ำบ่อยครั้ง
ตัวอย่างการละลายในสารละลายที่เป็นน้ำ
โคล่า, น้ำเค็ม, ฝน, สารละลายกรด, สารละลายพื้นฐานและสารละลายเกลือเป็นตัวอย่างของสารละลายน้ำ
เมื่อมีสารละลายในน้ำสามารถเกิดการตกตะกอนได้จากปฏิกิริยาการตกตะกอน (ปฏิกิริยาในสารละลายน้ำ, SF)
ปฏิกิริยาการตกตะกอนบางครั้งเรียกว่าปฏิกิริยา "การกระจัดสองครั้ง" เพื่อตรวจสอบว่าเกิดการตกตะกอนหรือไม่เมื่อผสมสารละลายน้ำของสารสองชนิด:
- บันทึกไอออนทั้งหมดในสารละลาย
- รวมพวกมัน (ไอออนบวกและประจุลบ) เข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ตะกอนที่มีศักยภาพทั้งหมด
- ใช้กฎของการละลายเพื่อตรวจสอบว่าชุดใด (ถ้ามี) ที่ไม่ละลายน้ำและจะเร่งรัด
ตัวอย่างที่ 1: จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อ Ba (NO 3 ) 2 (aq) และ Na 2 CO 3 (aq) ผสมกัน
มีไอออนอยู่ในสารละลาย: Ba2 +, NO 3 -, Na +, CO 3 2-
โอกาสที่อาจเกิดขึ้น: BaCO 3, NaNO3
กฎการละลาย: BaCO 3 ไม่ละลายน้ำ (กฎ 5), NaNO 3 ละลายได้ (กฎ 1)
สมการทางเคมีที่สมบูรณ์:
Ba (NO 3 ) 2 (aq) + Na 2 CO 3 (aq) » BaCO 3 (s) + 2NaNO 3 (aq)
สมการไอออนิกสุทธิ:
Ba2 + (aq) + CO 3 2- (aq) » BaCO 3 (s)
ตัวอย่างที่ 2: จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อ Pb (NO 3 ) 2 (aq) และ NH 4 I (aq) ผสมกัน
ไอออนมีอยู่ในสารละลาย: Pb2 +, NO 3 -, NH 4 +, I-
โอกาสตกตะกอน: PbI 2, NH 4 NO 3
กฎการละลาย: PbI 2 ไม่ละลายน้ำ (กฎ 3), NH 4 NO 3 ละลายได้ (กฎ 1)
สมการทางเคมีที่สมบูรณ์: Pb (NO 3 ) 2 (aq) + 2NH 4 I (aq) » PbI 2 (s) + 2NH 4 NO 3 (aq)
สมการไอออนิกสุทธิ: Pb2 + (aq) + 2I- (aq) » PbI 2 (s)
