ترمودینامیک شیمیایی؛معادله «هیدلبراند_اسکات» چیست؟🧪نویسنده:جمال عبدالله زاده🧪

نویسنده: جمال عبدالله زاده دانشجوی شیمی محض🧪عاشق محاسبات شیمی،تاریخ شیمی و  دنیای شیمی فیزیک به خصوص شیمی کوانتوم🧪

نکته مهم در پیشبرد علم شیمی تبیین علمی دقیق پدیده ها و مفاهیمی است که مشاهده می کنیم.بسیاری از سوالات ظاهرا ساده در شیمی جواب های عمیق و دشواری دارند و پی بردن به علت دقیق خیلی از پدیده ها صبر و حوصله زیادی می خواهد.در این مقاله به یکی از این پرسش های ساده و در عین حال جالب شیمی می پردازیم.چرا مواد در هم حل می شوند و جواب ریاضی قانع کننده برای انحلال مواد در شیمی چیست؟ برای جواب دادن به این پرسش باید با افق تازه ای جهان شیمی را نگاه کنیم و برای بازتعریف دقیق پدیده انحلال مواد از سه کمیت بنیادین آنتالپی اختلاط،انرژی آزاد اختلاط و آنتروپی اختلاط کمک بگیریم.آنتالپی اختلاط به زبان ساده به مقدار گرمایی گفته می شود که در فشار ثابت بین حل شونده و حلال در یک محلول شیمیایی رد و بدل می شود تا فرایند انحلال رخ دهد.آنتالپی اختلاط معمولا مثبت می باشد به خصوص برای مواد آلی غیر قطبی و پلیمرها.انرژی آزاد گیبس اختلاط نیز کمیتی است که تغییر انرژی آزاد گیبس در پروسه انحلال مواد را بیان می کند؛روال عادی طبیعت به گونه ای است که انرژی آزاد گیبس اختلاط کاهش می یابد تا به پایداری برسد.آنتروپی اختلاط نیز به مقدار تغییرات آنتروپی در پروسه انحلال اطلاق می شود.روال عادی طبیعت به این صورت است که آنتروپی اختلاط مرتبا افزایش می یابد.اگر این سه کمیت شیمیایی بنیادین را در یک صورت بندی ریاضی فراگیر کنار هم قرار دهیم به فرمول مشهور زیر می رسیم و در حالت کلی داریم: H➖T∆S=∆G∆ شیمیدان برجسته آمریکایی جوئل هنری هیدلبراند در سال۱۹۳۶ میلادی به همراه همکار خود پروفسور رابرت اسکات با درک و تحلیل عمیق کمیت شیمیایی آنتالپی اختلاط و اجرای آن بر روی سیستم های مولکولی غیر قطبی و پلیمرها نهایتا به معادله مشهور زیر رسیدند که به افتخار این دو شیمیدان معادله هیدلبراند_اسکات نامیده می شود و ترمودینامیک شیمیایی را متحول کرده است.معادله هیدلبراند_اسکات آنتالپی اختلاط پلیمر و حلال را به صورت تابعی از حجم مولی اجزای محلول،حجم کل مخلوط و کسر حجمی اجزای محلول بیان می کند.مهم ترین بخش معادله هیدلبراند_اسکات کمیتی تحت عنوان«چگالی انرژی هم چسپی» است.چگالی انرژی هم چسپی بیانگر انرژی لازم برای تبخیر پلیمر در واحد حجم می باشد.این کمیت شیمیایی به زبان ساده میزان حل شدن مواد در همدیگر را مشخص می کند و برای هر کدام از اجزای محلول به صورت جداگانه تعریف می شود و آن را با نماد 𝛿² نشان می دهیم و در شیمی اصطلاحا آن را Cohesive می نامیم.اگر چگالی انرژی هم چسپی دو ماده برابر باشد آن دو ماده در هم حل می شوند و مشابه هستند.بنابرین مواد مختلف هرچقدر چگالی انرژی هم چسپی نزدیک به هم داشته باشند بیشتر در هم حل می شوند و از دیدگاه نیروهای بین مولکولی  بیشتر به همدیگر شباهت دارند.این کمیت شیمیایی در حالت کلی از نظر ریاضی به صورت زیر تعریف می شود: 𝛿²=∆𝝚/V اگر از این معادله جذر بگیریم به پارامتر دیگری می رسیم که همان نقش و معنا و مفهوم را دارد با این تفاوت که اندکی دقیق تر است و تغییرات میزان حل شدن اجزای محلول در همدیگر را کامل تر و بهتر به تصویر می کشد و می توان به جای چگالی انرژی هم چسپی از آن نیز کمک گرفت.این کمیت شیمیایی اصطلاحا «مشخصه حلالیت» یا همان Solubility parameter نامیده می شود.پس به جای برابری چگالی انرژی هم چسپی مواد می توان از برابری مشخصه حلالیت مواد برای توجیه حل شدن آنها کمک گرفت.بنابراین در حالت کلی اگر مشخصه حلالیت دو ماده برابر باشد آن دو ماده به راحتی می توانند در هم حل شوند و از دیدگاه نیروهای بین مولکولی نیز بسیار شبیه هم هستند.مشخصه حلالیت را با نماد 𝛿 نشان می دهیم و مقادیر مشخصه حلالیت مواد گوناگون در جداول داده های ترمودینامیک شیمیایی موجود است و می توانیم مقادیر مشخصه حلالیت مواد را از پایگاه داده (date base) موثق و پیشرفته جهانی پیدا کنیم.با شناخت دقیق و عمیق این پارامتر در مواد گوناگون به راحتی می توانیم به صورت تئوری پیش بینی کنیم که کدام گروه از مواد بیشتر در هم حل می شوند و نیروهای بین مولکولی آنها بیشتر به هم نزدیک است.این پیش بینی های علمی هوشمندانه بر اساس پایگاه داده ها در سنتز محلول ها کمک شایانی به شیمیدان ها می کند؛ چون پژوهشگر از همان اول راه تشخیص می دهد که اجزای محلول را به گونه ای انتخاب کند که از لحاظ نیروهای بین مولکولی به هم نزدیک باشند و محلول تا جایی که امکان دارد همگن و یکنواخت بماند.محلولی که دارای فازهای زیادی باشد از منظر محاسبات ترمودینامیک شیمیایی وقت گیر و کسل کننده است و تحلیل تئوری آن دشوار است.پس شیمیدان ها برای جلوگیری از محاسبات طولانی و سخت شدن مراحل محاسبه باید محلول را به گونه ای بسازند که تعداد فازهای  آن خیلی زیاد نباشد و اجزای سازنده محلول یکنواخت و همگن باشد.به عنوان مثال مشخصه حلالیت حلقه بنزن برابر 9.2 می باشد(بر حسب جذر کالری بر سانتی متر مکعب) و در مورد تولوئن نیز 8.9 می باشد؛ بنابراین تولوئن و بنزن از دیدگاه نیروهای بین مولکولی شباهت زیادی به همدیگر دارند و به راحتی در هم حل می شوند.البته توجه داشته باشید که معادله هیدلبراند_اسکات نیز دامنه تعریف پذیری مشخصی دارد و تنها در مورد مواد غیر قطبی و پلیمرها خوب عمل می کند و در مورد مواد قطبی تر صدق نمی کند.در ترمودینامیک شیمیایی برای بررسی مولکول های قطبی تر از پارامتر دیگری تحت عنوان «مشخصه حلالیت هانسن» استفاده می کنیم که در این جا برای خلاصه گویی به آن نمی پردازیم.جالب است که پروفسور جوئل هنری هیدلبراند ابتدا این معادله را برای محلول هایی مطرح کرد که آنتروپی آنها هنگام افزودن سایر اجزا به محلول تغییر نمی کند و حجم محلول نیز در اثر افزودن سایر مواد ثابت می ماند.در علم شیمی این جور محلول ها را «محلول منظم» یا همان Regular solution می نامند.پروفسور هیدلبراند اولین کسی بود که مفهوم محلول منظم وارد ادبیات واژگانی شیمیدان ها کرد.مفهوم محلول منظم دروازه های جدیدی را به روی نوابغ شیمی نظری گشود و باعث شد که پژوهشگران با مطالعه و بررسی شرایط ایده آل به تدریج شرایط واقعی محلول ها را نیز مدل سازی و تحلیل کنند و به فرمول ها و روابط جدید برسند و مرزهای علم شیمی را گسترش دهند.به عقیده من حالت ها و شرایط آرمانی و ایده آل در علم شیمی اگرچه انتزاعی هستند و در عمل به صورت کامل و مطلق رخ نمی دهند ولی قطب نما و نقشه راه ما برای کشف واقعیت های جدید هستند و روند پیشرفت علم شیمی در گذر تاریخ همیشه این گونه بوده است.

✍️دوستان عزیز می توانید ما را در کانال تلگرام اندیشه ورزی و فلسفه شیمی جمال به نشانی t.me/JimiChem دنبال کنید؛ ایستگاه اندیشه ورزی و فلسفه شیمی جمال رسانه ای جالب و جذاب برای علاقه مندان و عاشقان علم شیمی است به ویژه آنان که همواره به معنا و ماهیت و فلسفه شیمی می اندیشند و از آن لذت می برند ✍️