ലയനപ്രക്രിയയിലെ ചൂടും തണുപ്പും

Read Time:13 Minute

ഡോ. മുഹമ്മദ് ഷാഫി

പരിഷത്ത് യൂണിറ്റ് സംഘടിപ്പിക്കുന്ന സോപ്പ് നിർമാണ പരിശീലനത്തിനായി വീട്ടുമുറ്റത്ത് കുട്ടികളും സ്ത്രീകളുമടക്കം ഒട്ടേറെ പേർ എത്തിയിട്ടുണ്ട്. സോപ്പ് നിർമാണം വിശദീകരിക്കുന്നത് സജീവ പരിഷത് പ്രവർത്തകനായ കൃഷ്ണൻ ആണ്. സോപ്പ് നിർമാണത്തിനാവശ്യമായ വസ്തുക്കളെല്ലാം ഒരു ചെറിയ മേശപ്പുറത്തു വച്ചിട്ടുണ്ട്. കാസ്റ്റിക് സോഡ (Causitc Soda) എങ്ങനെ ജലത്തിൽ ലയിപ്പിക്കണം എന്നതാണ് വിശദീകരിക്കുന്നത്. സാമാന്യം വലിയ ഒരു സ്റ്റീൽ പാത്രത്തിലെ ജലത്തിലേക്കു വളരെ ശ്രദ്ധയോടെ അൽപ്പാൽപ്പം കാസ്റ്റിക് സോഡ ചേർത്ത് ഇളക്കുന്നുണ്ട്; കൂടെ കുറെ നിർദ്ദേശങ്ങളും. “സോഡാ ലായനി ശരീരത്തിൽ വീഴാതെ സൂക്ഷിക്കണം. കണ്ണിൽ ഒരിക്കലും വീണുകൂടാ . ഈ പ്രവൃത്തി ചെയ്യുമ്പോൾ കണ്ണട ധരിക്കുന്നതാണ് ഉത്തമം. സോഡ ജലത്തിൽ ലയിക്കുമ്പോൾ ലായനി ചൂടുള്ളതായി മാറും”. ഇത്രയും പറഞ്ഞ ശേഷം പാത്രത്തിൽ തൊട്ടു നോക്കി ചൂടുള്ളതിനാൽ വേഗം കൈ വലിച്ചു. ഇത് കണ്ടു നിന്ന ഒരു കുട്ടി മുന്നോട്ടു വന്നു പാത്രം തൊട്ടു നോക്കി നല്ല ചൂടുണ്ടെന്ന്‌ ബോധ്യപ്പെട്ട ശേഷം ഒരു ചോദ്യം “ഞാൻ ഗ്ലൂക്കോസ് വെള്ളത്തിൽ കലക്കി കുടിച്ചപ്പോൾ തണുപ്പായിരുന്നല്ലോ. സോഡ വെള്ളത്തിൽ കലക്കിയാൽ ചൂടും. അതെന്താ മാഷേ അങ്ങനെ?”

ശാസ്ത്രസാഹിത്യ പരിഷത്തിന്റെ വീട്ടുമുറ്റ സോപ്പുനിർമ്മാണ പരിശീലനനം – 1998 ലെ ദൃശ്യം

ഒരു ലീനം (solute) ഒരു ലായകത്തിൽ (solvent) ലയിക്കുമ്പോൾ എന്താണ് സംഭവിക്കുന്നത്? അൽപ്പം പഞ്ചസാരയോ ഉപ്പോ ഒരു ഗ്ലാസ്സ് വെള്ളത്തിലിട്ട് ഒരു സ്പൂൺ കൊണ്ട് ഇളക്കിയാൽ അവ ലയിച്ച് അപ്രത്യക്ഷമാകുമല്ലോ. ഒരു ഗ്ളാസ് ജലത്തിൽ ഒരു ഉപ്പുകല്ല് (salt crystal) നിക്ഷേപിച്ച് അനക്കാതെ കൂടുതൽ സമയം വെച്ചിരുന്നാലും അത് ലയിച്ചു ചേരും. ഇതിന്റെ ചിത്രം മനസ്സിൽ കാണുക. എന്തെല്ലാം മാറ്റങ്ങളാണ് ഇതിൽ സംഭവിക്കുന്നത് എന്ന് പരിശോധിക്കാം.

ഉപ്പുകല്ലിൽ പോസിറ്റീവ് അയോണായ സോഡിയവും നെഗറ്റീവ് അയോണായ ക്ളോറൈഡും ഒന്നിടവിട്ട് സ്ഥിതിചെയ്യുന്നതിനാൽ അവ ശക്തമായ ആകർഷണത്താൽ ബന്ധിതമാണ്. ഉപ്പ് ലയിക്കുമ്പോൾ ഗ്ളാസ്സിലുള്ള ജലത്തിൽ എല്ലായിടത്തും ഒരുപോലെ വിതരണം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. ശക്തമായ ആകർഷണ ബലത്താൽ ബന്ധിതമായ അയോണുകളെ വേർപെടുത്തണമെങ്കിൽ ഊർജം ആവശ്യമാണ്. ഇതിനാവശ്യമായ ഊർജം ജലത്തിൽ നിന്ന് സ്വീകരിച്ചാൽ ജലത്തിന്റെ താപനില കുറയുമല്ലോ.
ജലത്തിൽ വിതരണം ചെയ്യപ്പെട്ട സോഡിയം അയോണുകളും ക്ളോറൈഡ് അയോണുകളും ജല തന്മാത്രകൾക്കു ഇടയിലാണ് സ്ഥാനം പിടിക്കുന്നത്. എന്നാൽ ജല തന്മാത്രകൾ എല്ലാം ഹൈഡ്രജൻ ബന്ധനത്താൽ ബന്ധിതവുമാണ്. അതായത് ഹൈഡ്രജൻ ബന്ധനത്തെ ഭാഗികമായെങ്കിലും മുറിച്ചു കളഞ്ഞുകൊണ്ടല്ലാതെ അയോണുകൾക്കു ജല തന്മാത്രകൾക്കിടയിൽ കയറിക്കൂടാനാകില്ല. ഇപ്രകാരം ഹൈഡ്രജൻ ബന്ധനത്തെ മുറിച്ചുകളയാൻ ഊർജം ആവശ്യമാണ്. ഇതിനാവശ്യമായ ഊർജം ജലത്തിൽ നിന്ന് സ്വീകരിച്ചാൽ ജലത്തിൻറെ താപനില കുറയാനിടയാകും.
ജല തന്മാത്രക്ക് ധ്രുവീയ സ്വഭാവമുണ്ട്. അതിലെ ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റങ്ങൾക്ക് ഭാഗികമായ പോസിറ്റീവ് ചാർജാണുള്ളത്; ഓക്സിജന് നെഗറ്റീവ് ചാർജ്ജും. അതിനാൽ ജലത്തിൽ നിലകൊള്ളുന്ന പോസിറ്റീവ് ചാർജ് ഉള്ള സോഡിയം അയോണുകളിലേക്കു ജലത്തിലെ ഓക്സിജൻ ആറ്റങ്ങൾ ആകർഷിക്കപ്പെടും; അതുപോലെ നെഗറ്റീവ് ചാർജുള്ള ക്ളോറൈഡ് അയോണുകളുടെ ചുറ്റും ജല തന്മാത്രയിലെ പോസിറ്റീവ് ചാർജ് ഉള്ള ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റങ്ങളും ഒത്തുകൂടും . ഇപ്രകാരം രൂപപ്പെടുന്ന വിലായക യോജനം (Solvation) ഊർജത്തെ പുറത്തു വിടുന്ന പ്രക്രിയയാണ്.

ഇവ മൂന്നും ചേർന്നതിന്റെ അനന്തര ഫലമാണ്‌ ഒരു വസ്തു ഒരു ലായകത്തിൽ ലയിക്കുമ്പോൾ ലായനി ചൂടാകുന്നതിനോ തണുക്കുന്നതിനോ കാരണമാകുന്നത്. ഒന്നും രണ്ടും ചേർന്നത് മൂന്നാമത്തേതിനേക്കാൾ കൂടുതൽ ആണെങ്കിൽ ലായനി തണുക്കും. നേരെ മറിച്ചാണെങ്കിൽ ലായനിയുടെ താപനില ലായകത്തേക്കാൾ ഉയർന്നതായിരിക്കും.

സോപ്പ് നിർമാണത്തിനായി തയ്യാറാക്കിയ കാസ്റ്റിക് സോഡാ ലായനി തണുക്കാൻ അനുവദിച്ചാൽ അന്തരീക്ഷ താപനില കൈക്കൊള്ളുമല്ലോ. അതിനെ വീണ്ടും ജലം ചേർത്ത് നേർപ്പിച്ചാൽ വീണ്ടും താപ നില ഉയരും. ഇപ്രകാരം നേർപ്പിക്കൽ തുടർന്നാൽ താപനിലയിൽ മാറ്റംവരാതെയുള്ള ഒരു നില എത്തുമെന്ന് പറയേണ്ടതില്ലല്ലോ. എന്നുവെച്ചാൽ ഒരു പദാർത്ഥം ഒരു ലായകത്തിൽ ലയിപ്പിക്കുമ്പോൾ വരുന്ന ഊർജമാറ്റം ലായനിയുടെ ഗാഢതയെ ആശ്രയിച്ചിരിക്കുമെന്നർത്ഥം. ഒരു മോൾ (Mole: ഒരു ആറ്റത്തിൻറെ അറ്റോമിക് മാസ്സിന് തുല്യമായത്രയും ഗ്രാം അല്ലെങ്കിൽ ഒരു മോളിക്യുളിന്റെ മോളികുലാർ മാസ്സിന് തുല്യമായത്രയും ഗ്രാം ) പദാർത്ഥം ഒരു ലായകത്തിൽ ലയിക്കുമ്പോൾ ഉണ്ടാകുന്ന ഊർജ മാറ്റത്തെ മോളാർ ലയന താപം (Molar heat of solution/Molar enthalpy of solution) എന്നാണ് വിളിക്കുന്നത്. ലയന താപം പോസിറ്റീവോ നെഗറ്റീവോ ആകാം. ലയനം നടക്കുമ്പോൾ താപം പുറത്തു വിട്ടാൽ അതിനെ നെഗറ്റീവ് ആയാണ് കണക്കാക്കുന്നത്. കാരണം ലയന പ്രക്രിയ നടക്കുന്ന വ്യൂഹത്തിനു (system) താപംനഷ്ടപ്പെടുകയാണല്ലോ. ലയനം നടക്കാൻ താപം ആഗിരണം ചെയ്യുന്നുവെങ്കിൽ അതിനെ പോസിറ്റീവ് ലയനതാപമായും കണക്കാക്കുന്നു. താഴെ കൊടുത്ത പട്ടിക കാണുക.

Substance	Heat of Solution (kJ/mol)
LiCl	– 37. 0
NaCl	3. 9
KCl	17. 2
LiBr	– 48. 8
KBr	19. 9
NaOH	– 44. 5
KOH	– 57. 6

LiCl, LiBr, NaOH, KOH എന്നിവ ജലത്തിൽ ലയിക്കുമ്പോൾ ലായനിയുടെ താപനില ഉയരുമെന്നും അതേസമയം NaCl, KCl, KBr എന്നീ പദാർത്ഥങ്ങൾ ലയിക്കുമ്പോൾ ലായനി കൂടുതൽ തണുത്തതായി മാറുമെന്നും പട്ടിക വെളിപ്പെടുത്തുന്നു. ഈ പ്രതിഭാസത്തെ പ്രയോജനപ്പെട്ടുത്തിയാണ് hot pack ഉം cold pack ഉം നിർമിച്ചിട്ടുള്ളത്. കായിക താരങ്ങൾ പരിക്ക് പറ്റുന്ന അവസരങ്ങളിൽ ഇത്തരം പായ്ക്കുകൾ ഉപയോഗിക്കാറുണ്ട്. അതിശൈത്യമുള്ള പ്രദേശങ്ങളിൽ പ്രവൃത്തിക്കേണ്ടിവരുന്ന പട്ടാളക്കാർ, ശാസ്ത്രജ്ഞർ തുടങ്ങിയവർക്ക് ഹോട്ട് പായ്ക്ക്ന്റെ ലഭ്യത പ്രധാനമാണല്ലോ. ഹോട്ട് പായ്ക്ക്കളിൽ സാധാരണ ഉപയോഗിക്കുന്ന ലവണം നിർജ്ജല മഗ്നിസിയം സൾഫേറ്റ് (Anhydrous magnesium sulphate: MgSO₄ ആണ് (മെഡിക്കൽ ഷോപ്പിൽ ലഭിക്കുന്ന മഗ്നിസിയം സൾഫേറ്റ് ജലയോജിത മഗ്നിസിയം സൾഫേറ്റ് ആണ്: ഹൈഡ്രേറ്റഡ് മഗ്നീസിയം സൾഫേറ്റ് : MgSO₄. 7H₂O). ഒരു പ്ലാസ്റ്റിറ്റിക് പാക്കിനകത്ത് പരസ്പരം കലരാത്ത രണ്ടു ഭാഗങ്ങളിൽ ജലവും നിർജ്ജല മഗ്നിസിയം സൾഫേറ്റും ഉണ്ടായിരിക്കും (നിർജ്ജല മഗ്നിസിയം സൾഫേറ്റിന്റെ മോളാർ ലയന താപം -91. 21kJ/mol ആണ്). ഇവ രണ്ടിനെയും സംയോജിപ്പിക്കാനുള്ള സീൽ പൊട്ടിച്ചു കുലുക്കിയാൽ ലവണം ജലത്തിൽ ലയിക്കുകയും ഉയർന്ന അളവിൽ താപം പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്യും. നിർജ്ജല മഗ്നിസിയം സൾഫേറ്റിന്റെ മോളാർ ലയന താപം ഉയർന്നതാണെന്നത് മാത്രമല്ല അത് സുരക്ഷിതവുമായതുകൊണ്ടാണ് ഹോട് പായ്ക്കുകളിൽ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്നത്. മഗ്നിസിയം സൾഫേറ്റിന് പകരം കാൽസിയം ക്ളോറൈഡ് ഉപയോഗിക്കുന്ന ഹോട് പായ്ക്കുകളും മാർക്കറ്റിൽ ലഭ്യമാണ്.

കോൾഡ് പായ്ക്കുകളുടെ നിർമ്മിതിയും ഹോട് പായ്ക്കുകൾക്കു സമാനമാണ്. ഇതിൽ ലീനമായി ഉപയോഗിക്കുന്നത് അമോണിയം നൈട്രേറ്റ് (Ammonium nitrate) എന്ന ലവണമാണ്. ഇത്തരം പായ്ക്കുകൾ ഒരു പ്രാവശ്യം മാത്രമേ ഉപയോഗിക്കാൻ പറ്റുകയുള്ളൂ എന്ന ന്യൂനതയുണ്ട്. പല പ്രാവശ്യം ഉപയോഗിക്കാവുന്ന ഹോട് പായ്ക്ക് നിർമിക്കുന്നത് സോഡിയം അസറ്റേറ്റ് ഉപയോഗിച്ചാണ്. എന്നാൽ സോഡിയം അസറ്റേറ്റിന്റെ അതിശീതീകരണ (super cooling) പ്രഭാവമാണ് ഇതിനായി പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നത്.

ഒരു ദ്രാവകത്തെ അതിന്റെ ഖരാങ്കത്തിലും (freezing point) താഴ്ന്ന താപനിലയിലേക്ക് തണുപ്പിച്ചാൽ അത് ഖരാവസ്ഥ പ്രാപിക്കുമല്ലോ. എങ്കിലും ചില പദാർത്ഥങ്ങൾ ഖരാവസ്ഥ പ്രാപിക്കാതെ ദ്രാവകാവസ്ഥയിൽ തന്നെ നിലകൊള്ളും . ഇതിനെയാണ് അതിശീതീകരണം എന്ന് പറയുന്നത്. സോഡിയം അസറ്റേറ്റിന്റെ (sodim acetate trihydrate: CH₃COONa. 3H₂O) ദ്രവണാങ്കം (melting point) 58^oC ആണ്. ഖരാവസ്ഥയിലുള്ള സോഡിയം അസറ്റേറ്റിനെ 58^oC ക്ക് മുകളിലേക്ക് ചൂടാക്കിയാൽ അത് ദ്രാവകമായി മാറും. അതിനെ തണുപ്പിച്ചു 58^oCക്ക് താഴേക്കു വന്നു കഴിഞ്ഞാലും സോഡിയം അസറ്റേറ്റിന്റെ അതിശീതീകരണ സ്വഭാവം കാരണം ഖരാവസ്ഥയിലേക്കു മാറുന്നില്ല. സാധാരണ അന്തരീക്ഷ താപനിലയിലേക്കു വന്നു കഴിഞ്ഞാലും അത് ദ്രാവകാവസ്ഥയിൽ തുടരും. ഈ ഒരു അവസ്ഥയിൽ അത് ഖരീഭവിക്കുകയാണെങ്കിൽ ക്രിസ്റ്റലീകരണ (heat of crystallisation) താപം പുറത്തുവിടുന്നതായിരിക്കും. മാർക്കറ്റിൽ ലഭിക്കുന്ന ഇത്തരം ഹോട് പായ്ക്കുകളിൽ ക്രിസ്റ്റലീകരണം സാധ്യമാക്കുന്നത് പായ്ക്കിനുള്ളിലുള്ള,അൽപ്പം വളഞ്ഞിരിക്കുന്ന, ഒരു ലോഹത്തകിടാണ്. ഈ തകിടിനെ നേരെ എതിർ വശത്തേക്ക് വളയ്ക്കുമ്പോൾ ഉണ്ടാകുന്ന കമ്പനം ക്രിസ്റ്റലീകരണം ആരംഭിക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു. അൽപ്പ സമയത്തിനുള്ളിൽ പൂർണ ക്രിസ്റ്റലീകരണം നടക്കുകയും 50^oC ക്കു മുകളിൽ താപനില പ്രാപിക്കുകയും ചെയ്യും. ശരീരത്തിൽ പുറം വേദന ഉള്ളവർ ചൂട് പിടിക്കാനായി ഇത് ഉപയോഗിക്കാറുണ്ട്. ഈ പായ്ക്കുകൾ പലതവണ ഉപയോഗിക്കാം. ക്രിസ്റ്റലീകരണം നടന്ന പായ്ക്ക് വെള്ളത്തിലിട്ടു സോഡിയം അസറ്റേറ്റ് പൂർണമായും ദ്രാവകാവസ്ഥയിൽ എത്തുന്നത് വരെ ചൂടാക്കിയ ശേഷം പുറത്തെടുത്തു അന്തരീക്ഷ താപനിലയിലേക്കു തണുക്കാൻ അനുവദിക്കാം. വ്യാവസായികാടിസ്ഥാനത്തിൽ നിർമിക്കപ്പെടുന്ന ഇത്തരം പായ്ക്കുകളിൽ ദ്രാവകാവസ്ഥയിൽ ഉള്ള സോഡിയം അസറ്റേറ്റ് പെട്ടെന്ന് ഖരാവസ്ഥയിലേക്കു മാറാതിരിക്കാൻ ആവശ്യമായ രാസ പദാർത്ഥങ്ങളും ചെറിയ അളവിൽ ചേർക്കാറുണ്ട്.