Ерігіштік және оның химиялық қасиеттері

Кіріспе

Заттың біртекті түрде еріту қабілеті – химиялық қасиет. Химияда ерігіштік – заттың (еритін зат) басқа затпен (еріткішпен) ерітінді құруға қабілеттілігі. Ерімеушілік – оған қарсы қасиет, яғни еритін заттың мұндай ерітінді құруға келмейтіні. Заттың белгілі бір еріткіштегі ерігіштігінің дәрежесі әдетте қаныққан ерітіндідегі еритін заттың концентрациясымен өлшенеді, яғни оған ешқандай еритін зат қосылмайтын жағдай. Қатты немесе сұйық затты газға тек газ тәрізді күйге өтіп ғана ерітуге болады. Ерігіштік негізінен еритін зат пен еріткіштің құрамына (оның ішінде олардың pH көрсеткішіне және басқа еритін заттардың болуына), сондай-ақ температура мен қысымға байланысты. Бұл тәуелділікті екі заттың бөлшектерінің (атомдардың, молекулалардың немесе иондардың) өзара әрекеттесуі және энтальпия мен энтропия сияқты термодинамикалық ұғымдар арқылы түсіндіруге болады. Кейбір жағдайларда еритін заттың концентрациясы оның қалыпты ерігіштік шегінен асып кетуі мүмкін. Осының нәтижесінде аса қаныққан ерітінді пайда болады, ол тұрақсыз және қолайлы орта туғанда артық еритін затты жылдам шығарып тастайды. Егер екі зат арасында қайтымсыз химиялық реакция болса, мысалы, кальций гидроксиді мен тұз қышқылының реакциясы болса, онда ерігіштік ұғымы қолданылмайды, тіпті біреуін екіншісіне "еріткенімізді" бейресми айтсақ та. Ерігіштік – еріту жылдамдығымен бірдей емес, ол қатты еритін заттың сұйық еріткіште қаншалықты жылдам еритінін көрсетеді. Бұл қасиет екі заттың физикалық түрі және араластыру әдісі мен қарқындылығы сияқты көптеген факторларға байланысты. Ерігіштік ұғымы мен оны өлшеу химиядан басқа геология, биология, физика, океанография сияқты ғылымдарда, сондай-ақ инженерлік, медицина, ауыл шаруашылығы және тіпті сурет салу, тазалау, тамақ дайындау, сыра қайнату сияқты техникалық емес салаларда да маңызды рөл атқарады. Көптеген ғылыми, өндірістік немесе практикалық маңызы бар химиялық реакциялар реагенттер қолайлы еріткіште ерігеннен кейін ғана жүзеге асады. Су – ең көп қолданылатын еріткіш. "Ерігіш" термині кейде сұйықтықтағы өте ұсақ қатты бөлшектердің коллоидты суспензиясын құрайтын материалдарға қатысты қолданылады. Алайда, мұндай заттардың мөлшерлік ерігіштігі көбінесе нақты анықталмайды.

Capacity of a substance to dissolve in a homogeneous way
a chemical property

In chemistry, solubility is the ability of a substance, the solute, to form a solution with another substance, the solvent. Insolubility is the opposite property, the inability of the solute to form such a solution. The extent of the solubility of a substance in a specific solvent is generally measured as the concentration of the solute in a saturated solution, one in which no more solute can be dissolved. and a solid or liquid can be "dissolved" in a gas only by passing into the gaseous state first. The solubility mainly depends on the composition of solute and solvent (including their pH and the presence of other dissolved substances) as well as on temperature and pressure. The dependency can often be explained in terms of interactions between the particles (atoms, molecules, or ions) of the two substances, and of thermodynamic concepts such as enthalpy and entropy. Under certain conditions, the concentration of the solute can exceed its usual solubility limit. The result is a supersaturated solution, which is metastable and will rapidly exclude the excess solute if a suitable nucleation site appears. The concept of solubility does not apply when there is an irreversible chemical reaction between the two substances, such as the reaction of calcium hydroxide with hydrochloric acid; even though one might say, informally, that one "dissolved" the other. The solubility is also not the same as the rate of solution, which is how fast a solid solute dissolves in a liquid solvent. This property depends on many other variables, such as the physical form of the two substances and the manner and intensity of mixing. The concept and measure of solubility are extremely important in many sciences besides chemistry, such as geology, biology, physics, and oceanography, as well as in engineering, medicine, agriculture, and even in non technical activities like painting, cleaning, cooking, and brewing. Most chemical reactions of scientific, industrial, or practical interest only happen after the reagents have been dissolved in a suitable solvent. Water is by far the most common such solvent. The term "soluble" is sometimes used for materials that can form colloidal suspensions of very fine solid particles in a liquid. The quantitative solubility of such substances is generally not well defined, however.

Ерігіштікті өлшеу

Белгілі бір еріген заттың белгілі бір еріткіштегі ерігіштігі, әдетте, олардың қаныққан ерітіндісінің концентрациясы арқылы көрсетіледі. Ерітінділердің концентрациясын көрсетудің әртүрлі тәсілдерін қолдануға болады, мысалы, еріткіштің немесе ерітіндінің белгілі бір массасы, көлемі немесе моль саны үшін еріген заттың массасы, көлемі немесе моль саны.

Еріткіш мөлшері бойынша

Әсіресе, химиялық анықтамалықтарда ерігіштік 100 миллилитр еріткіштегі (г/100 мл) немесе еріткіштің 1 децилитріндегі (г/дл) еріген заттың граммы ретінде, немесе сирек жағдайларда, еріткіштің 1 литріне шаққандағы еріген заттың граммы (г/л) ретінде беріледі. Еріткіш мөлшері масса бойынша 100 грамм еріткішке (г/100 г) немесе 1 килограмм еріткішке (г/кг) еріген заттың граммы ретінде де көрсетілуі мүмкін. Мұндай жағдайда сан проценттік түрде көрсетілуі мүмкін, ал "салмаққа шаққанда салмақ" дегенді білдіретін "w/w" аббревиатурасы қолданылуы мүмкін. (Су үшін г/л және г/кг шамалары шамалас, бірақ басқа еріткіштер үшін мұндай болмауы мүмкін.) Басқаша айтқанда, еріген заттың ерігіштігі массаның орнына мольмен де көрсетілуі мүмкін. Мысалы, егер еріткіш мөлшері килограмммен берілсе, онда бұл мән ерітіндінің молялигін (моль/кг) көрсетеді.

Ерітінді мөлшері бойынша

Сұйықтағы заттың ерігіштігі еріткіштің емес, ерітіндіге шаққандағы еріген заттың мөлшері ретінде де көрсетілуі мүмкін. Мысалы, титрлеудегі қалыпты тәжірибеге сәйкес, оны ерітінді литріне шаққандағы еріген заттың моль саны (моль/л) ретінде, яғни ерітіндінің молярлығы ретінде беруге болады. Көбінесе арнайы жағдайларда ерігіштік мольдық үлес (еріген заттың моль санының еріген зат пен еріткіштің жалпы моль санына қатынасы) немесе тепе-теңдіктегі массалық үлес (еріген заттың массасының еріген зат пен еріткіштің жалпы массасына қатынасы) арқылы беріледі. Екеуі де 0 мен 1 арасындағы өлшемсіз шамалар болып табылады және оларды проценттермен (%) көрсетуге болады.

Сұйық және газ тәрізді еріген заттар

Сұйықтықтардағы сұйықтықтар немесе газдардың ерітінділері үшін екі компоненттің мөлшері масса немесе моль санының орнына көлеммен берілуі мүмкін; мысалы, еріткіштің бір литріне еріген заттың бір литрі, немесе ерітіндінің бір литріне еріген заттың бір литрі. Бұл көрсеткіш проценттік арақатынаста да берілуі мүмкін, ал "көлем/көлем" деген мағынаны білдіретін "к/к" немесе "v/v" деген аббревиатура қолданылуы мүмкін.

Ерігіштілік мәндерін аудару

Ерігіштікті өлшеудің осы әртүрлі тәсілдері арасындағы түрлендіру оңай болмауы мүмкін, себебі ол ерітіндінің тығыздығын білуді қажет етеді, оны көбінесе өлшемейді және болжауға болмайды. Еріту арқылы жалпы масса сақталса да, соңғы көлем еріткіш көлемінен де, екі көлемнің қосындысынан да әртүрлі болуы мүмкін. Сонымен қатар, көптеген қатты заттар (мысалы, қышқылдар мен тұздар) еріген кезде күрделі жолдармен ыдырайды; керісінше, еріткіш еріген заттың молекулалары немесе иондарымен координациялық кешендер құрауы мүмкін. Мұндай жағдайларда еріген зат пен еріткіш молекулаларының мольдерінің қосындысы ерітіндідегі тәуелсіз бөлшектердің жалпы мольдеріне сәйкес келмейді. Бұл мәселенің алдын алу үшін, әдетте ерітіндінің бір моліне шаққандағы ерігіштік есептелінеді және егер еріген зат ыдырамаса немесе кешендер құрамаса, яғни ерітіндінің моль мөлшері екі заттың моль мөлшерінің қосындысына тең деп есептеу арқылы көрсетіледі.

Еріктілік дәрежесін сипаттау үшін қолданылатын квалификациялық белгілер

Ерігіштік дәрежесі кең ауқымды, судағы этанол сияқты шексіз ерігіштен (шексіз, яғни араласатын) бастап, судағы титан диоксиді сияқты дерлік ерімейтінге дейін өзгереді. Белгілі бір қолдану үшін ерігіштік дәрежесін сипаттау үшін тағы да басқа сөздер қолданылады. Мысалы, АҚШ Фармакопеясы бір бірлік массалы еріген затты ерітуге қажетті еріткіштің массалық мсв-іне сәйкес келесі терминдерді келтіреді: (Мысалдардағы ерігіштік шамамен, 20–25 °C температурадағы су үшін көрсетілген). Термин Диапазон (мсв/мсу) Мысал г/дл мсв/мсу Өте ерігіш <1 кальций нитраты 158,7 0,63 Еркін ерігіш 1–10 кальций хлориді 65 1,54 Ерігіш 10–30 натрий оксалаты 3,9 26 Аз ерігіш 30–100 Сәл ерігіш 100–1000 кальций сульфаты 0,21 490 Өте аз ерігіш 1000–10000 дикальций фосфаты 0,02 5000 Іс жүзінде ерімейтін немесе ерімейтін ≥10000 барий сульфаты 0,000245 409000 Бір затты ерімейтін деп сипаттау шегі немесе осыған ұқсас терминдер қолданылуына байланысты болуы мүмкін. Мысалы, бір дереккөз заттардың ерігіштігі еріткіштің 100 мл-іне 0,1 г-дан кем болған жағдайда "ерімейтін" деп сипатталады.

Молекулалық көрініс

Ерігіштік динамикалық тепе-теңдік жағдайында жүзеге асады, яғни ерігіштік бір мезгілде және қарама-қарсы процестердің – таралу мен фазалық бірігудің (мысалы, қатты заттардың тұнбаға түсуі) нәтижесі болып табылады. Ерігіштік тепе-теңдігі екі процесс бірдей және қарама-қарсы жылдамдықпен өтетін кезде орнатылады. Кейбір салаларда "ерігіштік" термині еріген заттың сольволиз арқылы өзгеруіне қатысты қолданылады. Мысалы, көптеген металдар мен олардың оксидтері "тұз қышқылында ериді" деп айтылады, бірақ шындығында сулы қышқыл қатты затты қайтымсыз ыдыратып, ерігіш өнімдерге айналдырады. Сондай-ақ, көптеген иондық қатты заттар полярлы еріткіштерде ериді, бірақ мұндай процестер қайтымды болады. Егер еріткіштің булануы кезінде еріген зат қалпына келтірілмесе, онда бұл процесс сольволиз деп аталады. Ерігіштіктің термодинамикалық тұжырымы сольволизға тікелей қолданылмайды. Еріген зат еріген кезде ерітіндіде бірнеше түрлер құрауы мүмкін. Мысалы, темір(II) гидроксидінің сулы суспензиясы, Fe(OH)₂, |[Fe(H₂O)ₓ(OH)ₓ]^(2x)+| және басқа да түрлер қатарын қамтиды. Сонымен қатар, темір(II) гидроксидінің ерігіштігі және оның ерігіш компоненттерінің құрамы pH-қа тәуелді. Жалпы, еріткіш фазасындағы ерігіштікті тек термодинамикалық тұрақты еріген зат үшін ғана беруге болады, ал ерігіштіктің мәні ерітіндідегі барлық түрлерді қамтиды (жоғарыдағы мысалда, темірді қамтитын барлық кешендер).

Еріктілікке әсер ететін факторлар

Ерігіштік белгілі бір фазалар үшін анықталады. Мысалы, арагонит пен кальциттің судағы ерігіштігі әртүрлі болады деп күтіледі, бірақ екеуі де кальций карбонатының полиморфтары және бірдей химиялық формулаға ие. Бір заттың екінші заттағы ерігіштігі, еріткіш пен еріген зат арасындағы молекулааралық күштердің тепе-теңдігімен және еріту процесімен бірге жүретін энтропияның өзгеруімен анықталады. Температура және қысым сияқты факторлар осы тепе-теңдікті өзгертеді, соның салдарынан ерігіштік те өзгереді. Ерігіштік, еріткіште еріген басқа заттардың болуына да күшті байланысты болуы мүмкін, мысалы, сұйықтарда кешен түзетін аниондарға (лигандтарға). Ерігіштік, ерітіндідегі ортақ ионның артық немесе жетіспеушілігіне де байланысты болады, бұл құбылыс ортақ ион әсері деп аталады. Шамалы дәрежеде, ерігіштік ерітінділердің иондық күшіне де тәуелді. Соңғы екі әсерді ерігіштік тепе-теңдігінің теңдеуін қолдану арқылы сандық бағалауға болады. Редокс реакциясында ерітін қатты зат үшін, ерігіштік потенциалға байланысты болады деп күтіледі (қатты зат термодинамикалық тұрақты фаза болып қалатын потенциалдар диапазонында). Мысалы, алтынның жоғары температуралы судағы ерігіштігі, редокс потенциалы күшті тотықтырғыш Fe3O4-Fe2O3 редокс буферімен бақыланғанда, орташа тотықтырғыш Ni-NiO буферімен салыстырғанда шамамен бір рет (яғни, он есе) жоғары болады. Ерігіштік (метастабильді, қанығуға жақын концентрацияларда) сондай-ақ еріген заттың кристаллының немесе тамшысының физикалық өлшемдеріне (немесе, дәлірек айтқанда, еріген заттың нақты беттік ауданына немесе молярлық беттік ауданына) тәуелді. Сандық бағалау үшін, ерігіштік тепе-теңдігі туралы мақаладағы теңдеуді қараңыз. Өте кемшіліктері бар кристалдар үшін, ерігіштік бұзылудың артуымен бірге өсуі мүмкін. Бұл екі әсер де ерігіштік тұрақтысының кристаллдың Гиббс энергиясына тәуелділігіне байланысты. Соңғы екі әсерді өлшеу қиын болғанымен, олардың практикалық маңызы зор. Мысалы, олар шөгіндінің қартаюына (кристалл мөлшері уақыт өте өздігінен ұлғаюына) итермелейтін күшті қамтамасыз етеді.

Solubility is defined for specific phases. For example, the solubility of aragonite and calcite in water are expected to differ, even though they are both polymorphs of calcium carbonate and have the same chemical formula. The solubility of one substance in another is determined by the balance of intermolecular forces between the solvent and solute, and the entropy change that accompanies the solvation. Factors such as temperature and pressure will alter this balance, thus changing the solubility. Solubility may also strongly depend on the presence of other species dissolved in the solvent, for example, complex forming anions (ligands) in liquids. Solubility will also depend on the excess or deficiency of a common ion in the solution, a phenomenon known as the common ion effect. To a lesser extent, solubility will depend on the ionic strength of solutions. The last two effects can be quantified using the equation for solubility equilibrium. For a solid that dissolves in a redox reaction, solubility is expected to depend on the potential (within the range of potentials under which the solid remains the thermodynamically stable phase). For example, solubility of gold in high temperature water is observed to be almost an order of magnitude higher (i. e. about ten times higher) when the redox potential is controlled using a highly oxidizing Fe3O4 Fe2O3 redox buffer than with a moderately oxidizing Ni NiO buffer. Solubility (metastable, at concentrations approaching saturation) also depends on the physical size of the crystal or droplet of solute (or, strictly speaking, on the specific surface area or molar surface area of the solute). For quantification, see the equation in the article on solubility equilibrium. For highly defective crystals, solubility may increase with the increasing degree of disorder. Both of these effects occur because of the dependence of solubility constant on the Gibbs energy of the crystal. The last two effects, although often difficult to measure, are of practical importance. For example, they provide the driving force for precipitate aging (the crystal size spontaneously increasing with time).

Температура

Берілген ерітіндідегі белгілі бір заттың ерігіштігі температураның функциясы болып табылады. Энтальпияның өзгеруіне (ΔH) байланысты, яғни еріту реакциясының эндотермиялық (ΔH > 0) немесе экзотермиялық (ΔH < 0) сипатына байланысты, берілген қосылыстың ерігіштігі температурамен бірге артуы немесе азаюы мүмкін. Ван 'т Хофф теңдеуі ерігіштіктің тепе-теңдік тұрақтысының (Ksp) температура өзгеруіне және реакция энтальпиясының өзгеруіне байланысты екенін көрсетеді. Көптеген қатты және сұйық заттар үшін олардың ерігіштігі температурамен артады, себебі олардың еріту реакциясы эндотермиялық (ΔH > 0) болады. Жоғары температурадағы сұйық суда (мысалы, критиктік температураға жақындағанда) иондық еріген заттардың ерігіштігі сұйық судың қасиеттері мен құрылымының өзгеруіне байланысты төмендейді; диэлектрлік тұрақтының төмендеуі нәтижесінде азырақ полярлы еріткіш пайда болады және еріту реакциясының ΔG-ға әсер ететін гидраттау энергиясы өзгереді. Газ тәрізді еріген заттар температураға байланысты күрделі мінез-құлық көрсетеді. Температура жоғарылағанда, газдар әдетте суда азырақ ериді (олардың гидратациясына байланысты экзотермиялық еріту реакциясы) (көптеген тұрақты газдар үшін 120 °C-тан төмен ең төменгі шегі бар), бірақ органикалық еріткіштерде жақсырақ ериді (олардың ерітуіне байланысты эндотермиялық еріту реакциясы). Көптеген тұздар барий нитраты және динатрий сутегі арсенаты сияқты мінез-құлық көрсетеді және температурамен ерігіштігінің айтарлықтай артуын көрсетеді (ΔH > 0). Кейбір еріген заттар (мысалы, судағы натрий хлориді) температураға тәуелсіз ерігіштік көрсетеді (ΔH ≈ 0). Аз ғана заттар, мысалы кальций сульфаты (гипс) және церий(III) сульфаты, температураның жоғарылауымен суда азырақ ериді (ΔH < 0). Бұл кальций гидроксидіне (портландит) де қатысты, оның 70 °C температурадағы ерігіштігі 25 °C температурадағы мәнінің шамамен жартысына тең. Кальций гидроксидінің суда еріуі де экзотермиялық процесс (ΔH < 0) және Ван 'т Хофф теңдеуі мен Ле Шателье принципіне бағынады. Температураны төмендету жүйеден еріту жылуын шығаруға көмектеседі, демек Ca(OH)2 ерігіштігін арттырады: сондықтан портландиттің ерігіштігі төмен температурада артады. Бұл температураға тәуелділік кейде «ретроградты» немесе «кері» ерігіштік деп аталады. Кейде натрий сульфаты сияқты күрделі үлгілер байқалады, онда азырақ еритін декагидрат кристаллы (мирабилит) 32 °C-та кристалдану суын жоғалтады және еріген кезде Гіббс еркін энергиясының (ΔG) аз өзгеруімен сусыз фазаны (тенардит) құрайды. Органикалық қосылыстардың ерігіштігі температурамен көбінесе артады. Қатты заттарды тазарту үшін қолданылатын қайта кристалдану әдісі еріген заттың ыстық және суық еріткіштегі әртүрлі ерігіштіктеріне байланысты. Кейбір циклодекстриндер сияқты ерекше жағдайлар да бар.

The solubility of a given solute in a given solvent is function of temperature. Depending on the change in enthalpy (ΔH) of the dissolution reaction, i. e., on the endothermic (ΔH > 0) or exothermic (ΔH < 0) character of the dissolution reaction, the solubility of a given compound may increase or decrease with temperature. The van 't Hoff equation relates the change of solubility equilibrium constant (Ksp) to temperature change and to reaction enthalpy change. For most solids and liquids, their solubility increases with temperature because their dissolution reaction is endothermic (ΔH > 0). In liquid water at high temperatures, (e. g. that approaching the critical temperature), the solubility of ionic solutes tends to decrease due to the change of properties and structure of liquid water; the lower dielectric constant results in a less polar solvent and in a change of hydration energy affecting the ΔG of the dissolution reaction. Gaseous solutes exhibit more complex behavior with temperature. As the temperature is raised, gases usually become less soluble in water (exothermic dissolution reaction related to their hydration) (to a minimum, which is below 120 °C for most permanent gases), but more soluble in organic solvents (endothermic dissolution reaction related to their solvation). Many salts behave like barium nitrate and disodium hydrogen arsenate, and show a large increase in solubility with temperature (ΔH > 0). Some solutes (e. g. sodium chloride in water) exhibit solubility that is fairly independent of temperature (ΔH ≈ 0). A few, such as calcium sulfate (gypsum) and cerium(III) sulfate, become less soluble in water as temperature increases (ΔH < 0). This is also the case for calcium hydroxide (portlandite), whose solubility at 70 °C is about half of its value at 25 °C. The dissolution of calcium hydroxide in water is also an exothermic process (ΔH < 0) and obeys the van 't Hoff equation and Le Chatelier's principle. A lowering of temperature favors the removal of dissolution heat from the system and thus favors dissolution of Ca(OH)2: so portlandite solubility increases at low temperature. This temperature dependence is sometimes referred to as "retrograde" or "inverse" solubility. Occasionally, a more complex pattern is observed, as with sodium sulfate, where the less soluble decahydrate crystal (mirabilite) loses water of crystallization at 32 °C to form a more soluble anhydrous phase (thenardite) with a smaller change in Gibbs free energy (ΔG) in the dissolution reaction. The solubility of organic compounds nearly always increases with temperature. The technique of recrystallization, used for purification of solids, depends on a solute's different solubilities in hot and cold solvent. A few exceptions exist, such as certain cyclodextrins.

Қысым

Конденсацияланған фазалар (қатты және сұйық) үшін ерігіштіктің қысымға тәуелділігі әдетте әлсіз болады және практикада көбінесе ескерілмейді. Егер ерітінді идеалды болса, бұл тәуелділікті былай сипаттауға болады:

мұнда индекс компоненттер бойынша өтеді, – ерітіндідегі компоненттің мольдық үлесі, – қысым, индекс тұрақты температураны білдіреді, – ерітіндідегі компоненттің ішінара молярлық көлемі, – еріген қатты заттағы компоненттің ішінара молярлық көлемі, ал – әмбебап газ тұрақтысы. Ерігіштіктің қысымға тәуелділігі кейде маңызды болуы мүмкін. Мысалы, кальций сульфатының мұнай кен орындары мен ұңғымаларын ластауы (қысым төмендегенде оның ерігіштігі азаяды) уақыт өте өнімділіктің төмендеуіне алып келуі мүмкін.

Газдардың ерігіштігі

Генри заңы газдардың еріткіштердегі ерігіштігін анықтау үшін қолданылады. Газдың еріткіштегі ерігіштігі, еріткіштің үстіндегі газдың парциалдық қысымына тура пропорционалды. Бұл қатынас Рауль заңына ұқсас және былай жазылуы мүмкін:

мұндағы – температураға тәуелді тұрақты (мысалы, 298 К температурадағы судағы диоксиген (O2) үшін 769,2 л·атм/моль), – парциалдық қысым (атм), ал – сұйықтықтағы еріген газдың концентрациясы (моль/л). Газдардың ерігіштігі кейде Бунсен ерігіштігі коэффициенті арқылы да өлшенеді. Кішкентай көпіршіктердің болуы кезінде газдың ерігіштігі, көпіршіктің радиусының қысымға тигізетін әсерінен басқа тәуелді емес (яғни, сұйықтықпен жанасқан газдың ерігіштігі, қысымның Δp = 2γ/r артуына байланысты ұлғаяды; Йонг-Лаплас теңдеуін қараңыз). Генри заңы, еріген кезде химиялық құрамы өзгермейтін газдар үшін қолданылады. Сиверт заңы, бұл шарт орындалмаған жағдайды көрсетеді. Теңіз суындағы көмірқышқыл газының ерігіштігіне температура, ерітіндінің pH деңгейі және карбонат буферінің әсері тиеді. Температураның жоғарылауымен теңіз суындағы көмірқышқыл газының ерігіштігінің төмендеуі, сондай-ақ Антарктидадағы Восток аймағында байқалғандай, өткен және болашақ климат өзгерістерін күшейтетін маңызды кері байланыс факторларының (оң кері байланыс) бірі болып табылады. Геологиялық уақыт шкаласында, Миланкович циклдарының нәтижесінде Жер орбитасының астрономиялық параметрлері мен оның айналу осінің біртіндеп өзгеруі Жер бетіндегі күн сәулесінің мөлшерін өзгертеді, осының салдарынан температура көтеріле бастайды. Мұздықтан босану кезеңі басталғанда, мұхиттардың біртіндеп жылынуы жылы теңіз суында ерігіштігі төмендегендіктен, көмірқышқыл газын атмосфераға шығарады. Өз кезегінде, атмосферадағы көмірқышқыл газының жоғары деңгейі парниктік эффектіні күшейтеді және көмірқышқыл газы жалпы жылынуды күшейтуге ықпал етеді.

Полярлық

Ерімеуді болжау үшін қолданылатын танымал афоризм – "like dissolves like", латын тілінде "Similia similibus solventur" деп айтылады. Бұл мәлімдеме ерігіш зат өзіне ұқсас химиялық құрылымы бар еріткіште жақсы еритінін көрсетеді, бұл араласудың қолайлы энтропиясына негізделген. Бұл көзқарас қарапайым, бірақ пайдалы ереже. Еріткіштің жалпы еріту қабілеті негізінен оның полярлығына байланысты. Мысалы, урея сияқты өте полярлы (гидрофильді) ерігіш зат, өте полярлы суда өте жақсы ериді, біраз полярлы метанолда аз ериді және бензол сияқты полярлы емес еріткіштерде іс жүзінде ерімейді. Керісінше, нафталин сияқты полярлы емес немесе липофильді ерігіш зат суда ерімейді, метанолда біраз ериді, ал полярлы емес бензолда өте жақсы ериді. Әлдеқайда қарапайым тілмен айтқанда, натрий хлориді (аспаздық тұз) сияқты қарапайым иондық қосылыс (оң және теріс иондармен) су сияқты өте полярлы еріткіште (ковалентті молекуладағы оң (δ+) және теріс (δ-) зарядтардың белгілі бір бөлінуімен) оңай ериді, сондықтан теңіз ерте геологиялық дәуірлерден бері еріген тұздарды жинақтағандықтан тұзды болып табылады. Ерігіштікті араласу энтропиясы (ΔS) ынталандырады және еріту энталпиясына (ΔH) және гидрофобтық әсерге байланысты. Ерітудің еркін энергиясы (Гиббс энергиясы) температураға тәуелді және ΔG = ΔH – TΔS қатынасымен беріледі. ΔG-нің кішірек болуы ерігіштіктің жоғары екенін білдіреді. Химиктер реакциялық қоспалардан қосылыстарды бөлу және тазарту үшін сұйық-сұйық экстракция әдісін пайдаланып, ерігіштіктердің айырмашылығын жиі пайдаланады. Бұл химияның көптеген салаларында қолданылады, дәрі-дәрмектерді синтездеуден бастап, пайдаланылған ядролық отынды қайта өңдеуге дейін.

Ерігіштігі

Ерігіштік тұрақтылары салыстырмалы түрде аз еритін иондық қосылыстардың қаныққан ерітінділерін сипаттау үшін қолданылады (ерігіштік тепе-теңдігін қараңыз). Ерігіштік тұрақтысы – тепе-теңдік тұрақтысының ерекше жағдайы. Ол тепе-теңдіктегі иондық концентрациялардың көбейтіндісі болғандықтан, ерігіштік көбейтіндісі деп те аталады. Бұл тұздан еріген иондар мен ерімеген тұз арасындағы тепе-теңдікті сипаттайды. Ерігіштік тұрақтысы сондай-ақ тұндыруға да "қолайлы" (яғни пайдалы), ол еріту реакциясының кері процесі болып табылады. Басқа тепе-теңдік тұрақтылары сияқты, температура да ерігіштік тұрақтысының сандық мәніне әсер ете алады. Ерігіштік тұрақтысы ерігіштік сияқты қарапайым болмаса да, осы тұрақтының мәні еріткіштегі басқа заттардың болуына тәуелді емес.

Басқа теориялар

Флори-Хуггинс ерітіндісі теориясы - полимерлердің ерігіштігін сипаттайтын теориялық модель. Хансеннің ерігіштік параметрлері және Хильдебрандтың ерігіштік параметрлері - ерігіштікті болжауға арналған эмпирикалық әдістер. Ерігіштікті басқа физикалық тұрақтылар арқылы да болжауға болады, мысалы, балқу энтальпиясынан. Октанол-су бөліну коэффициенті, әдетте оның логарифмі (Log P) түрінде беріледі, бұл гидрофобты еріткіште (1 октанол) және гидрофильді еріткіште (су) заттың ерекше ерігіштігінің өлшемі. Бұл екі мәннің логарифмі заттарды гидрофильділік (немесе гидрофобтылық) деңгейі бойынша бағалауға мүмкіндік береді. Ерітумен байланысты энергия өзгерісі әдетте еріген заттың моліне шаққандағы еріту энтальпиясы ретінде көрсетіледі.

Қолданбалар

Ерігіштік көптеген ғылыми салалар мен практикалық қолдануларда маңызды рөл атқарады, мысалы, кен байытудан және ядролық қайта өңдеуден бастап, дәрі-дәрмектерді қолдануға және ластаушы заттарды тасымалдауға дейін. Ерігіштік көбінесе "заттың ерекше қасиеттерінің" бірі деп есептеледі, яғни ол затты сипаттауға, оның полярлығын көрсетуге, басқа заттардан ажыратуға көмектеседі және затты қолдану жолдары туралы ақпарат береді. Мысалы, индиго "суда, спиртте немесе эфирде ерімейді, бірақ хлороформда, нитробензолда немесе концентрленген күкірт қышқылында ериді" деп сипатталады. Заттың ерігіштігі қоспаларды бөлу кезінде пайдалы. Мысалы, тұз (натрий хлориді) және кремнийдің қоспасын тұзды суда ерітіп, ерімеген кремнийді сүзу арқылы бөлуге болады. Химиялық қосылыстарды синтездеу, зертханада миллиграммдармен немесе өнеркәсіпте тонналармен жүргізілсе де, қажетті өнімнің, сондай-ақ реакцияға түспеген бастапқы материалдардың, жанама өнімдердің және қосалқы өнімдердің салыстырмалы ерігіштігін пайдаланып, бөлуге мүмкіндік береді. Бұған мысал – фенилмагний бромиді мен құрғақ мұздан бензой қышқылын синтездеу. Бензой қышқылы дихлорметан немесе диэтил эфир сияқты органикалық еріткіште жақсы ериді және осы органикалық еріткішпен бөлу шұңқырында шайқалғанда, органикалық қабатқа өтеді. Басқа реакция өнімдері, соның ішінде магний бромиді, сулы қабатта қалады, бұл ерігіштік негізінде бөлудің жүзеге асырылғанын көрсетеді. Бұл процесс сұйық-сұйық экстракция деп аталады және синтетикалық химияда маңызды әдіс болып табылады. Максималды экстракцияны қамтамасыз ету үшін қайта өңдеу қолданылады.

Дифференциалдық еритіндігі

Ағып жатқан жүйелерде ерігіштіктің айырмашылығы көбінесе түрлердің ерігіштік айырмашылығымен туындаған таралуын анықтайды. Бұл жүйедегі әртүрлі бөліктер әртүрлі жағдайларға тап болғанда орын алады. Ұзақ уақыт берілген жағдайда тіпті аздаған жағдайлардың өзгешелігі де маңызды әсерлерге алып келуі мүмкін. Мысалы, салыстырмалы түрде аз ерігіштігі бар қосылыстар экстремалды жағдайларда ерігіш болатыны анықталды, нәтижесінде Жер қыртысындағы гидротермальдық сұйықтықтардың геохимиялық және геологиялық әсерлері пайда болады. Осылайша, жоғары сапалы пайдалы қазбалар мен асыл немесе жартылай асыл тастардың көп бөлігі осы жерлерден табылады. Сол сияқты, ерігіштігі төмен қосылыстар геологиялық уақыт аралығында (ұзақ уақыт бойы) еріп, кең үңгір жүйелері немесе карсттік жер беттері сияқты маңызды әсерлерге себеп болады.

Органикалық қосылыстардың ерігіштігі

Жоғарыда полярлық қағидасы бойынша сипатталған, ұқсас зат ұқсас затта ериді деген принцип, органикалық жүйелерде ерігіштікті анықтаудағы негізгі нұсқау болып табылады. Мысалы, вазелин бензинде ериді, себебі вазелин де, бензин де полярлы емес көмірсутектер. Алайда, ол этил спирті немесе суда ерімейді, өйткені бұл еріткіштердің полярлығы тым жоғары. Қанттың бензинде ерімейтінінің себебі – бензинге қарағанда қанттың полярлығы күшті. Сондықтан, бензин мен қант қоспасын сүзу арқылы немесе сумен экстракциялау арқылы бөліп алуға болады.

Қатты ерітінді

Бұл термин металлургия саласында көбінесе қорытпа элементінің жеке фаза түзбей, негізгі металға еріген деңгейін білдіреді. Солвус немесе ерігіштік сызығы (немесе қисығы) – фазалық диаграммада ерітінді құрауыштың қосылу шектерін көрсететін сызық (немесе сызықтар). Яғни, бұл сызықтар бір компонентке екінші компоненттің қанша мөлшерде қосылса, олардың қатты ерітінді түзе беретінін көрсетеді. Қатты дененің кристалдық құрылымында "ерітілген" элемент матрица ішіндегі орнына (орнын алмастыру позициясы; мысалы, темірдегі хром) немесе кристалдық тор арасындағы бос орынға (интерстициалдық позиция; мысалы, темірдегі көміртек) орналасады. Микроэлектрондық өндірісте қатты ерігіштік – субстратқа енгізілетін қоспалардың ең жоғары концентрациясына қатысты. Қатты қосылыстарда (элементтерден өзгеше) ерітілген элементтің ерігіштігі тепе-теңдікте бөлінетін фазаларға да байланысты болуы мүмкін. Мысалы, ZnSb фазасында ерітілетін Sn мөлшері, тепе-теңдікте бөлінетін фазалардың (Zn4Sb3+Sn(L)) немесе (ZnSnSb2+Sn(L)) болуына байланысты айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Бұдан басқа, ZnSb қосылысы Sn ерітілген элемент ретінде синтез кезіндегі бастапқы химиялық құрамына байланысты, ерігіштік шегіне жеткеннен кейін фазалардың басқа комбинацияларына ажырауы мүмкін. Әр комбинация ZnSb-де Sn-нің әртүрлі ерігіштігін тудырады. Сондықтан, қосылыстардағы ерігіштік зерттеулері, екінші фазалардың бөлінуінің алғашқы белгілері байқалғанда тоқтатылса, ерігіштік шамадан төмен бағалануы мүмкін. Тепе-теңдікте бір мезгілде бөлінетін фазалардың максималды саны Гиббс фазалық ережесімен анықталады, бірақ химиялық қосылыстар үшін мұндай фазалық бөліну комбинацияларының санына шектеу жоқ. Сондықтан, қатты қосылыстардағы "максималды ерігіштікті" тәжірибелік жолмен анықтау қиын болуы мүмкін, көптеген үлгілерді тепе-теңдікке келтіруді қажет етеді. Егер қатты ерітіндідегі басым кристаллографиялық ақаулар (көбінесе интерстициалдық немесе орнын алмастыру нүктелік ақаулар) химиялық тұрғыдан алдын ала болжауға болатын болса, онда қарапайым термодинамикалық принциптерді қолдану арқылы максималды ерігіштікті анықтау үшін қажетті үлгілер санын айтарлықтай азайтуға болады.

This term is often used in the field of metallurgy to refer to the extent that an alloying element will dissolve into the base metal without forming a separate phase. The solvus or solubility line (or curve) is the line (or lines) on a phase diagram that give the limits of solute addition. That is, the lines show the maximum amount of a component that can be added to another component and still be in solid solution. In the solid's crystalline structure, the 'solute' element can either take the place of the matrix within the lattice (a substitutional position; for example, chromium in iron) or take a place in a space between the lattice points (an interstitial position; for example, carbon in iron). In microelectronic fabrication, solid solubility refers to the maximum concentration of impurities one can place into the substrate. In solid compounds (as opposed to elements), the solubility of a solute element can also depend on the phases separating out in equilibrium. For example, amount of Sn soluble in the ZnSb phase can depend significantly on whether the phases separating out in equilibrium are (Zn4Sb3+Sn(L)) or (ZnSnSb2+Sn(L)). Besides these, the ZnSb compound with Sn as a solute can separate out into other combinations of phases after the solubility limit is reached depending on the initial chemical composition during synthesis. Each combination produces a different solubility of Sn in ZnSb. Hence solubility studies in compounds, concluded upon the first instance of observing secondary phases separating out might underestimate solubility. While the maximum number of phases separating out at once in equilibrium can be determined by the Gibb's phase rule, for chemical compounds there is no limit on the number of such phase separating combinations itself. Hence, establishing the "maximum solubility" in solid compounds experimentally can be difficult, requiring equilibration of many samples. If the dominant crystallographic defect (mostly interstitial or substitutional point defects) involved in the solid solution can be chemically intuited beforehand, then using some simple thermodynamic guidelines can considerably reduce the number of samples required to establish maximum solubility.

Қалыпты емес ыдырау

Көптеген заттар конгруэнтті түрде еріледі (яғни, қатты және еріген заттың құрамы стехиометриялық тұрғыдан сәйкес келеді). Дегенмен, кейбір заттар инконгруэнтті түрде еріуі мүмкін, онда ерітіндідегі еріген заттың құрамы қатты заттың құрамынан өзгеше болады. Бұл еріту процесі "бірінші қатты" фазаның өзгеруімен және, мүмкін, екінші қатты фазаның пайда болуымен бірге жүреді. Алайда, көбінесе, бастапқы қатты фазаның бір бөлігі де қалады және күрделі ерігіштік тепе-теңдігі орнатылады. Мысалы, альбиттың еріуі гиббситтің түзілуіне алып келуі мүмкін: NaAlSi3O8(қ) + H+ + 7H2O ⇄ Na+ + Al(OH)3(қ) + 3H4SiO4. Бұл жағдайда, альбиттің ерігіштігі қатты және еріткіш арақатынасына тәуелді болады деп болжанады. Мұндай ерігіштік геологияда маңызды рөл атқарады, себебі ол метаморфтық тау жыныстарының қалыптасуына себеп болады. Принцип бойынша, конгруэнтті де, инконгруэнтті де еріу тепе-теңдікте екіншілік қатты фазалардың түзілуіне әкелуі мүмкін. Сондықтан, Материалдар ғылымы саласында екі жағдайдағы ерігіштік химиялық құрамның фазалық диаграммаларында толығырақ сипатталады.

Еріктілікті болжау

Ерігіштік – ғылымның көптеген салаларында қызығушылық тудыратын қасиет, оның ішінде: қоршаған ортаны болжау, биохимия, фармация, дәрі-дәрмектерді жобалау, агрохимиялық жобалау және белок-лиганд байланысы. Сулы ерігіштік судың маңызды биологиялық және тасымалдау функцияларына байланысты аса маңызды. Судың ерігіштігіне және еріткіштердің әсеріне қатысты осы айқын ғылыми қызығушылыққа қоса, ерігіштіктің нақты болжамдары өнеркәсіптік тұрғыдан да маңызды. Молекуланың ерігіштігін дәл болжау мүмкіндігі, мысалы, фармацевтика сияқты химиялық өнімдерді әзірлеу процестерінде үлкен қаржылық үнемдеуге мүмкіндік береді. Фармацевтикалық өнеркәсіпте ерігіштік болжамдары дәрілік кандидаттардың бастапқы кезеңде оңтайландыру процесінің бір бөлігін құрайды. Ерігіштік тұжырымдамалық кезеңге дейін де маңызды мәселе болып қалады. Физикалық теорияға негізделген әдістер классикалық термодинамикадан алынған термодинамикалық циклдарды қолдануға бейім. Екі кең таралған термодинамикалық цикл сублимацияның (қатты күйден сұйық күйді араластырмай тікелей газға өту) еркін энергиясын және газ молекуласын ерітудің (газдан ерітіндіге) еркін энергиясын, немесе қорытудың (қатты күйден балқыған фазаға) және араласудың (балқыған фазадан ерітіндіге) еркін энергиясын есептеуді қамтиды. Бұл екі процесс келесі суреттерде көрсетілген. Бұл циклдер физикалық негізделген еріткіш модельдерін пайдалана отырып, алғашқы принциптерді болжауға (негізгі физикалық теңдеулерді қолдану арқылы шешуге) талпынулар үшін қолданылған. Алдымен бастапқы формула келтіріледі, содан кейін октанолда толық араласу туралы басқаша болжам жасайтын түзетілген формула келтіріледі. Бұл теңдеулер қорыту циклының қағидаларына негізделген.