تهیه یک نمک کمپلکس و یک نمک مضاعف و مقایسه برخی خواص آنها

 

تئوری

نمکها از کاتیونها و آنیونها تشکیل شده اند و پیوند در آنها به صورت یونی است، بنابراین بر هم کنش بین کاتیون و آنیون از نوع الکترواستاتیک بوده و در نتیجه نقطه ذوب بالایی دارند و در حالت مذاب و محلول رسانای جریان الکتریکی می باشند و به خوبی در آب محلول اند. تعداد کمی از نمکها درآب نا محلول بوده یا به سختی حل می شوند، زیرا انرژی شبکه آنها بزرگتر از انرژی آبپوشی آنها می باشد. در واقع شعاع آنیون کوچک بوده و نیروی الکتروستاتیک بین کاتیون آنیون قوی می باشد.

به طور کلی نمکها به چهار دسته تقسیم می شوند:

1-      نمکهای ساده مانند kcl که در شبکه بلور آنها فقط کاتیونها و آنیونهای نمک مربوطه وجود دارند. این نمکها به راحتی در آب حل می شوند و محلول آنها هدایت الکتریکی بالایی دارد.

2-      نمکهای هیدراته: در شبکه بلور آنها یونهای هیدراته وجود دارد. در این نمکها آب به چهار طریق زیر به یونها متصل می شود:

الف) مواد بلورین هیدراته که از تبخیر محلولهای آبی نمکهای آنها بدست می آید: مانند FeCl₃.6H₂O جامد که در واقع به صورت [Fe(H₂O)₆]Cl₃ است و یونهای [Fe(H₂O)₆]³⁺ در بلور نمک مذکور قابل تشخیص اند.

ب) نمکهای هیدراته ای که در آنها مولکول آب توسط پیوند هیدروژنی به آنیونها متصل می باشند. مانند ZnSO₄.7H₂O که 6 مولکول آب به Zn²⁺ و هفتمین مولکول آب توسط پیوند هیدروژنی به آنیون سولفات متصل است.                 

ج) مولکولهای آب بدون اتصال به یون معینی موضع های بخصوصی را در شبکه بلورین اشغال می کنند، در این صورت خارج شدن آب شبکه بلور آن در هم می ریزد( مثل BaCl₂.2H₂O).   

د) مولکولهای آب بین لایه ها یا در حفره های یک شبکه بلورین واقع می شوند( مانند زئولیتها). خارج شدن آب در این ترکیبات تغییری در ساختار آنها ایجاد نمی کند.

3- نمکها ی مضاعف: مانند (NH₄)₂Cu(SO₄)₂.6H₂O که نسبت مولی یونهای تشکیل دهنده آنها ثابت است. نمکهای مضاعف را می توان یک سیستم سه جزئی به حساب آورد که یک جزء آن آب و دو جزء دیگر دو نمک ساده می باشند که اولا باید شعاع کاتیونها ، ثانیـا نسبت مولی نمکهای ساده یکسان و ثالثا شکل و سسیستم بلوری یکی باشند. بنابراین یک نمک مضاعف با شبکه بلوری مشابه نمکهای ساده به کار رفته تشکیل می شود.

نمکهای مضاعف از نظر شکل ظاهری دارای انواع گوناگون از جمله ارتورمبیک و منوکلینیک و غیره می باشند که هریک دارای خصوصیات منحصر به خود هستند . این خصوصیات که شامل طول یال شبکه بلور ، شعاع کاتیون و اندازه زوایای وجوه می باشد، توسط پراش اشعه X تعیین می گردند. تشکیل یک نمک مضاعف باعث به وجود آمدن ساختمان پایدارتری خواهد شد، به طوری که انرژی آزاد تشکیل یک نمک مضاعف متبلور ، از مجموع انرژیهای آزاد تشکیل نمکهای اجزاء  سازنده بزرگتر است.

 

چند نمونه از نمکهای مضاعف عبارتند از:

الف) زاجها با فرمول عمومی M^IN^II(SO₄)₂.12H₂O ، مانند سولفات مضاعف آمونیوم مس(II) باشش مولکول آب تبلور (NH₄)₂Cu(SO₄)₂.6H₂O و سولفات مضاعف آمونیوم آهن (II) باشش مولکول آب تبلور (NH₄)₂Cu(SO₄)₂.6H₂O .

ب) کلرید مضاعف پتاسیم منیزیم با شش مولکول آب تبلور KCl.MgCl₂.6H₂O و...

4- نمکهای کمپلکس به طور مفصل در معدنی 2 مورد بررسی قرار می گیرد:

کمپلکسها ترکیبات پیچیده ای هستند از یک اسید لوئیس (پذیرنده الکترون) و تعدادی باز لوئیس ( دهنده الکترون ) تشکیل می شوند. در حقیقت اسید لوئیس همان کاتیون مرکزی و به عبارت دیگر یک فلز واسطه است و بازهای لوئیس لیگاندهایی هستند که در قشر کوئوردیناسیون اتم مرکزی قرار می گیرند. لیگاندها ممکن است خنثی ، مانند NH₃ ، H₂O و اتیلن دی آمین و... یا باردار مانند Cl^- ، Br^- ، NO₂^-  ، SCN^-  و... باشند. تعدای از لیگاندها توانایی اتصال همزمان به کاتیون را از چند جهت دارا می باشند(...و6،2،3،4،5،) که به آنها لیگاندهای چند دندانه ای می گویند. بعضی از لیگاندها دارای دو سر اتصال هستند، مانند NO₂^-  که هم از طریق N  وهم از طریق O به فلز متصل می شود اما در هر لحظه فقط توسط یک سر با فلز پیوند دارد.

کمپلکسها دارای ساختمانهای گوناگونی هستند:ئبطور مثال [Ni(CN)₄]^2- ساخنمان مربع مسطح و هیبریداسیون sp²d و [NiCl₄]^2- ساختمان چهار وجهی و هیبریداسیون sp³ و کمپلکس [Ni(NH₃)₆]²⁺ ساختمان هشت وجهی و هیبریداسیون sp³d² را دارا هستند. بنابراین تشکیل ساختمان خاص برای یک کمپلکس به عوامل مختلفی مانند ماهیت، اندازه و درجه اکسایش یون مرکزی بستگی دارد.

ساختمان و رفتار کمپلکسها توسط سه تئوری زیر که مکمل یکدیگرند بیان می شوند.

1-      تئوری پیوند ظرفیت                                                            Valance Bond Theory (V.B.T)

2-      تئوری میدان بلور( یا لیگاند)                     Crystal Field Theory (or Ligand…) C.F.T.(or L.F.T)

3-      تئوری اوربیتال مولکولی                                          Molecular Orbital Theory ( M.O.T)      

مقایسه نمک مضاعف و نمک کمپلکس

به طور کلی تفاوتهایی بین نمک مضاعف و نمک کمپلکس وجود دارد. ای ن تفاوتها شامل موارد زیر می باشند.

1-      نمکهای مضاعف در اثر انحلال در آب به یونهای تشکیل دهنده خود تبدیل می شوند، در صورتی که کمپلکس ها چنین نیستند.

                                                 

پتاسیم هگزا سیانو فرات (II) در آب حل شده و محلولی را می دهد که هیچ نوع واکنش مشخص کننده یون Fe²⁺ ندارد ، زیرا این یون در محیط آزاد نیست و به صورت  [Fe(CN)₆]^4-  وجود دارد. این یون یک یون کمپلکس است.

در تهیه کمپلکس ، اگر مقدار لیگاند بیش از مقدار استوکیومتری باشد مشکلی ایجاد نمی شود، در صورتی که در تهیه نمک مضاعف اگر مقدار یکی از دو نمک بیش از نسبت استوکیومتری باشد، محصول ناخالص بدست می آید.

2-      تهیه نمک مضاعف طبق سیستم سه جزئی بررسی می شود.

 

شيمي محلول ها

 

محلولها ، مخلوطهایی همگن هستند. محلولها را معمولا بر حسب حالت فیزیکی آنها طبقه بندی می‌کنند محلولهای گازی ، محلولهای مایع و محلولهای جامد. بعضی از آلیاژها محلولهای جامدند؛ سکه‌های نقره‌ای محلولهایی از مس و نقره‌اند و برنج محلولی جامد از روی در مس است. هر آلیاژی محلول جامد نیست، بعضی از آلیاژها مخلوطهایی ناهمگن اند. محلولهای مایع متداولترین محلولها هستند و بیشترین کاربرد را در بررسیهای شیمیایی دارند. هوا هم مثالی برای محلولهای گازی می‌باشد.
● ماهیت محلولها در یک محلول ، معمولا جزئی که از لحاظ کمیت بیشترین مقدار را دارد، حلال و سایر اجزا را مواد حل شده (حل شونده) می‌گوییم. اما گاهی آسانتر آن است که جزئی از محلول را با آنکه مقدارش کم است، حلال بنامیم و گاهی اصولا اطلاق نام حلال و حل شونده به اجزای یک محلول (مثلا محلولهای گازی) چندان اهمیتی ندارد. بعضی از مواد به هر نسبت در یکدیگر حل می‌شوند.امتزاج پذیری کامل از ویژگیهای اجزای تمام محلولهای گازی و بعضی از اجزای محلولهای مایع و جامد است. ولی غالبا، مقدار ماده ای که در حلال معینی حل می شود، محدود است. انحلال پذیری یک ماده در یک حلال مخصوص و در دمای معین، بیشترین مقداری از آن ماده است که در مقدار معینی از آن حلال حل می شود و یک سیستم پایدار به وجود می آورد.
● غلظت محلول برای یک محلول معین ، مقدار ماده حل شده در واحد حجم حلال یا در واحد حجم محلول را غلظت ماده حل شده می‌گوییم. مهمترین نوع غلظتها که در آزمایشگاه بکار می‌رود مولاریته و نرمالیته است. مولاریته عبارت است از تعداد مولهای یک ماده که در یک لیتر محلول وجود دارد. به همین دلیل آن را مول بر لیتر یا M/L می‌گیرند. نرمالیته یک محلول عبارتست از تعداد هم ارز گرمهای (اکی والان گرم های) ماده موجود در یک لیتر محلول. نرمالیته را با N نشان می‌دهند.
● انواع محلولها ▪ محلولهای رقیق ▪ محلولهایی که غلظت ماده حل شده آنها نسبتا کم است. ▪ محلولهای غلیظ محلولهایی که غلظت نسبتا زیاد دارند. ▪ محلول سیر شده اگر مقدار ماده حل شده در یک محلول برابر با انحلال پذیری آن در حلال باشد، آن محلول را محلول سیر شده می‌نامیم. اگر به مقداری از یک حلال مایع ، مقدار زیادی ماده حل شونده (بیشتر از مقدار انحلال پذیری آن) بیفزاییم، بین ماده حل شده و حل شونده باقیمانده تعادل برقرار می‌شود. ماده حل شونده باقیمانده ممکن است جامد ، مایع یا گاز باشد. در تعادل چنین سیستمی ، سرعت انحلال ماده حل شونده برابر با سرعت خارج شدن ماده حل شده از محلول است. بنابراین در حالت تعادل ، غلظت ماده حل شده مقداری ثابت است. ▪ محلول سیر نشده غلظت ماده حل شده در یک محلول سیر نشده کمتر از غلظت آن در یک محلول سیر شده است. ▪ محلول فراسیرشده می‌توان از یک ماده حل شونده جامد ، محلول فراسیر شده تهیه کرد که در آن، غلظت ماده حل شده بیشتر از غلظت آن در محلول سیر شده است. این محلول ، حالتی نیم پایدار دارد و اگر مقدار بسیار کمی از ماده حل شونده خالص بدان افزوده شود، مقداری از ماده حل شده که بیش از مقدار لازم برای سیرشدن محلول در آن وجود دارد، رسوب می‌کند.
● خواص فیزیکی محلولها بعضی از خواص محلولها به دو عامل ، نوع ماده حل شده و غلظت آن در محلول بستگی دارند. این مطلب برای بسیاری خواص فیزیکی محلولها از جمله ، محلولهای آبی درست به نظر می‌رسد. برای مثال، محلول نمک طعام در آب بی رنگ پرمنگنات پتاسیم در آب، بنفش صورتی است (در اینجا نوع ماده حل شده مطرح است). افزون بر این ، می‌دانیم که هر چه بر محلول پرمنگنات آب بریزیم و آن را رقیقتر کنیم، از شدت رنگ آن کاسته می‌شود (اینجا غلظت محلول مطرح است). یکی دیگر از خواص فیزیکی که به این دو عامل بستگی دارد، قابلیت هدایت الکتریکی محلول آبی مواد گوناگون است. چهار خاصه فیزیکی دیگر از محلولها وجود دارد که به نوع و ماهیت ذرات حل شده بستگی ندارد، بلکه فقط به مجموع این ذرات وابسته است. به عبارت دیگر ، تنها عامل موثر بر خواص محلول در اینجا ، غلظت است. چنین خواصی از محلول را معمولا "خواص جمعی محلولها" (خواص کولیگاتیو Colligative properties) می‌نامند و عبارتند از کاهش فشار بخار ، صعود نقطه جوش ، نزول نقطه انجماد و فشار اسمزی.
▪ کاهش فشار بخار وقتی یک حل شونده غیر فرار در یک حلال حل می‌شود، فشار بخار آن کاهش می‌یابد و مقدار کاهش به مقدار حل شونده بستگی دارد. هر چه میزان حل شونده بیشتر باشد، میزان کاهش در فشار بخار بیشتر است. برای مثال اگر دو ظرف را در نظر بگیریم که در آنها مقدار مساوی مایع وجود دارد که یکی محتوی مولکولهای آب خالص و دیگری محتوی محلول قند در آب است، بدیهی است که تعداد مولکولهای آب در واحد حجم از آب قند ، کمتر از آب خالص است. به همین نسبت ، تعداد مولکولهای آب در سطح آب قند ، نیز کمتر می‌باشد. بنابراین، نسبت مولکولهای پرانرژی آب که قادر به تبخیر از سطح آب قند هستند، کمتر می‌باشد و در نتیجه فشار بخار محلول کمتر می‌شود.
▪ افزایش نقطه جوش در اثر حل شدن مقداری حل شونده غیر فرار در یک حلال ، نقطه جوش آن افزایش می‌یابد. مقدار افزایش فقط به مقدار حل شونده بستگی دارد. برای مثال ، آب در شرایط متعارفی (دمای ۲۵ درجه سانتیگراد و فشار بخار یک اتمسفر یا ۷۶۰ میلی متر جیوه) در ۱۰۰ درجه سانتیگراد می جوشد. اما اگر در آب، مقداری قند مثلا به غلظت یک مولال (یک مول در ۱۰۰۰ گرم آب) بریزیم، فشار بخار محلول آب قند به اندازه ۱۴ میلی متر جیوه کاهش می‌یابد و در نتیجه محلول در ۵۲/۱۰۰درجه سانتیگراد می‌جوشد.
▪ کاهش نقطه انجماد وقتی یک حل شونده غیر فرار در یک حلال حل می‌شود، نقطه انجماد آن کاهش می‌یابد. بنابراین دمای انجماد محلولهای آبی همیشه کمتر از دمای انجماد آب خالص است. استفاده از این خاصیت در رادیاتور اتومبیل می‌باشد که برای جلوگیری از یخ زدن آب رادیاتور اتومبیل در زمستان ، به آن مقداری مایع به نام ضد یخ می‌افزایند. همچنین با اضافه کردن نمک (مانند کلرید سدیم) همراه با شن ریز روی آسفالت خیابانهای شهر ، هیدراته شدن یونهای نمکها مستلزم مصرف مقداری آب است که از ذوب شدن برف فراهم می گردد. بنابراین آب نمک غلیظی فراهم می‌شود که حتی در ۲۰ درجه زیر صفر منجمد نمی‌شود.
▪ فشار اسمزی اگر در ظرف U شکلی ، حلال A از مخلوط حلال و حل شونده (B + A) به وسیله یک غشای نیمه تراوا ، جدا شود، چون فقط حلال از غشا عبور می‌کند، بعد از رسیدن به حالت تعادل ، ارتفاع مایع در قسمت (حاوی B + A) که حل شونده وجود دارد بالا می رود. اگر به این ستون فشار وارد شود تا سطح مایع در دو طرف یکسان شود، این فشاراسمزی است که به علت حل شدن حل شونده غیر فرار در حلال ایجاد شده است. به عکس فرآیند اسمز ، اسمز معکوس گویند که برای شیرین کردن آب استفاده می شود. همچنین برای تعیین جرم مولکولی پلیمرها ، پروتئینها و بطور کلی مولکولهای سنگین از فشار اسمزی استفاده می‌شود.