سیگما

در شیمی صابون نمک یک اسید چرب است. صابون‌ها عمدتا به عنوان ماده فعال در سطح برای شستشو و تمیز کردن و همچنین در ریسندگی نساجی استفاده می‌شوند و اجزای مهم روان سازها هستند.صابون‌ها برای تنظیف، از روغن‌های حیوانی یا گیاهی تصفیه شده و چربی‌ها با محلول قلیایی قوی بدست می‌آیند. چربی‌ها و روغن‌ها از تری‌گلیسیریدها ساخته شده‌اند: 3 مولکول از اسید چرب متصل شده به یک مولکول از گلیسرول.محلول قلیایی که اغلب قلیا نامیده می‌شود، موجب انجام یک واکنش شیمیایی به نام صابونی شدن می‌شود. در صابونی شدن، ابتدا چربی‌ها به وسیله هیدرولیز به اسیدهای چرب آزادی تبدیل می‌شوند که برای شکل دهی صابون خام با قلیا واکنش می‌دهند.گلیسرول که اغلب گلیسرین نامیده می‌شود، یا آزاد شده و یا باقی می‌ماند یا شسته می‌شود و به عنوان یک محصول جانبی مفید مطابق با فرآیندهای رایج بازیافت می‌شود.

صابون‌ها اجزای کلیدی بسیاری از گریس‌های روانساز هستند که عموما امولسیون صابون کلسیم یا صابون‌های لیتیم و روغن‌های معدنی می‌باشند.این گریس‌های کلسیمی و لیتیمی در بسیاری موارد مورد استفاده قرار می‌گیرند. بسیاری از دیگر صابون‌های فلزی نیز مفیدند، از جمله صابون‌های آلومینیم، سدیم و مخلوطی از آن‌ها.این نوع صابون‌ها اغلب به عنوان غلیظ کننده برای افزایش ویسکوزیته روغن‌ها استفاده می‌شوند. در زمان‌های قدیم گریس‌های روانساز با افزودن کلسیم به روغن زیتون برست می‌آمدند.

مکانیسم خالص شدن صابون‌ها

صابون وقتی برای نظافت به کار می‌رود، در مجاورت آب به عنوان فعال کننده‌ی سطحی عمل می‌کند. عمل پاک کردن این مخلوط به عمل مایسل‌ها (ذرات کلوییدی باردار) نسبت داده می‌شود، ریزکره‌هایی که روی گروه‌های قطبی آب دوست پوشیده شده‌اند، یک روکش چربی دوست ایجاد می‌کنند که می‌توانند ذرات گریس را احاطه کنند و باعث می‌شوند که آن‌ها در آب پراکنده شوند. بخش چربی دوست از یک زنجیر بلند هیدروکربن از اسید چرب ساخته می‌شود. به عبارت دیگر، از آنجاییکه روغن و آب معمولا با هم مخلوط نمی‌شوند، اضافه کردن صابون به روغن اجازه می‌دهد که در آب پراکنده و شسته شود. شوینده‌های مرکب مشابه مکانیسم صابون عمل می‌کنند.

تاثیر قلیا نوع فلز قلیایی که استفاده می‌شود نوع صابون تولیدی را تعیین می‌کند. صابن‌های سدیم که از سدیم هیدروکسید تهیه می‌شود جامد هستند در حالیکه صابون‌های پتاسیم که از پتاسیم هیدروکسید مشتق می‌شوند نرم‌تر و اغلب مایع هستند. تاریخ نشان می‌دهد که پتاسیم هیدروکسید از خاکستر سرخس یا گیاهان دیگر استخراج می‌شود. صابون‌های لیتیم نسبتا سخت هستند – که به طور مخصوص در گریس‌ها استفاده می‌شوند. تاثیر چربی صابون‌ها از اسیدهای چرب مشتق می‌شوند. در گذشته آن‌ها از تری گلیسریدها (روغن‌ها و چربی‌ها) ساخته شده بودند. تری گلیسرید نام شیمیایی تری استرهای از اسیدهای چرب و گلیسیرین است.پیه (چربی ناشی از گرما دادن اندامهای درونی و مصرع نشدنی حیوان پس از کشتن) در دسترس‌ترین تری گلیسیرید حیوانی است. محصول صابونی شده‌ی آن سدیم تالووات (sodium tallowate) نامیده می‌شود.روغن‌های گیاهی معمول که برای در صابون سازی به کار می‌رود روغن خرما، روغن نارگیل، روغن زیتون و روغن برگ بو هستند. هریک از گونه‌ها، اسید چرب با مقدار کاملا متفاوت به دست می‌دهد و از این رو صابونهایی با حس‌های متفاوت نتیجه می‌دهند.روغن‌ دانه‌ها صابون‌هایی نرم‌تر و ملایم‌تری نتیجه می‌دهند. صابونی که از روغن خالص زیتون سامته می‌شود بعضی اوقات صابون کستایل (صابون روغنی با درصد بالای روغن زیتون یا همان صابون زیتون) (castile soap) یا صابون مارسی (Marsielle soap) نامیده می‌شود و به خاطر لطافت زیاد مشهور است.

ظرفیت اسید چرب چربی‌های مختلف مورد استفاده در تولید صابون

تاریخچه خالص سازی صابون

تاریخچه اولیه

قدیمی‌ترین مدارک ثبت شده از تولید مواد شبه صابون به حدود 2800 سال پیش از میلاد در بابل قدیم برمی‌گردد. در زمان سلطنت نبونعید (556-539 سال قبل از میلاد) یک دستورالعمل برای صابون شامل خاکستر، روغن درخت سرو، کنجد (روغن دانه) می‌شد که برای شستشوی سنگ‌ها توسط دختران خدمتکار به کار می‌رفته است. در 2200 سال قبل از تولد مسیح، فرمولی برای صابون شامل آب، قلیا، و روغن سنا (پرک هندی، درخت ملوس) بر روی یک تابلوی رسی بابلی نوشته شده بود.

"پاپیروس ابرس" (مصر، 1550 ق.م) نشان می‌دهد که مصریان باستان مرتبا حمام می‌کردند و روغن‌های حیوانی و گیاهی را با نمک‌های قلیایی ترکیب می‌کردند تا ماده‌ای شبیه صابون بدست آورند.

اسناد مصریان حاکی از آن  است که یک ماده شبیه صابون در تهیه‌ی پشم برای ریسندگی به کار برده می‌شده است.

روش‌های داغ

صابون‌های تولیدی به روش داغ توسط پیشبرد واکنش صابونی شدن با اضافه کردن گرما به واکنش، تولید می‌شوند. این عمل به واکنش سرعت می‌بخشد. برخلاف صابون تولید شده به روش سرد، در صابون سازی به روش گرم، روغن‌ها تماما در پایان دوره‌ی ساخت به صابون تبدیل می‌شوند در صورتیکه در روش سرد قسمت عمده‌‌ی صابونی شدن بعد از ریختن امولسیون روغن و قلیا به درون قالب صورت می‌گیرد.

در روش داغ، چربی و هیدروکسید در دمای 80 – 100 ^oC، کمی پایین‌تر از نقطه جوش، گرم و مخلوط می‌شوند تا زمانی که صابون تکمیل شود، که روش تشخیص تکمیل شدن صابون قبل از تجهیزات مدرن دانشمندان توسط چشیدن صابون (مزه‌ی تند و خاص هیدروکسید بعد از صابونی شدن از بین می‌رود) یا توسط چشم بوده است؛ که فرد با تجربه با چشم و نگاه کردن می‌تواند متوجه شود که چه زمانی حالت ژل مانند و صابونی شدن کامل روی داده است. افراد تازه کار با کسب تجربه و آزمایش کردن می‌توانند این اطلاعات را از طریق نگاه کردن به مخلوط واکنش بدست آورند. بسیار مهم است که برای تشخیص آماده بودن یا نبودن صابون آن را نچشید. سدیم و هیدروکسید پتاسیم زمانی که صابونی نشده‌اند به شدت مواد خوردنده‌ای هستند.

یکی از مزایای روش داغ کاملا جوشان این است که مقدار هیدروکسید مورد نیاز لازم نیست که خیلی دقیق و بدون خطا باشد. این مقدار زمانی که هیدروکسیدهای بازی کاملا خالص نیستند تولید می‌شود، زیرا این نوع فرایندها می‌توانند حتی از قلیاهای طبیعی موجود مانند خاکسترهای چوب و باقیمانده پتاس استفاده کنند. در روش کاملا جوشان، مخلوط در واقع در دمای +100oC جوشانده می‌شود و بعد از اینکه صابونی شدن روی داد، صابون تمیز و مرتب با اضافه کردن نمک معمولی از محلول جدا می‌شود، و مایع اضافی تخلیه می‌شود. این مایع اضافی بیشتر ناخالصی‌ها و ترکیبات رنگی در چربی را در خود حمل می‌کند، تا صابونی خالص‌تر و سفیدتر و معمولا بدون هیچ گلیسیرینی باقی بماند. صابون نرم و داغ سپس به قالب ریخته می‌شود. محلول هیدروکسید تخلیه شده سپس برای بازیابی گلیسیرین فراوری می‌شود.

قالب‌ها

بسیاری از قالب‌های صابون تجاری موجود، از سیلیکون و انواع مختلف پلاستیک ساخته شده‌اند، البته بسیاری از کسانی که برای سرگرمی صابون تولید می‌کنند می‌توانند از جعبه‌های مقوایی که با فیلم پلاستیکی پوشیده شده‌اند استفاده کنند.

خالص سازی و تکمیل

در روش کاملا جوشان در مقیاس کارخانه‌ای، صابون برای حذف هر مقدار اضافی سدیم هیدروکسید، گلیسرول و دیگر ناخالصی‌ها، ترکیبات رنگی و غیره در مراحل بیشتری خالص سازی می‌شود. این ترکیبات با جوشاندن شیره‌ی صابون خام در آب و سپس رسوب کردن صابون با اضافه کردن نمک حذف می‌شوند. در این حالت، صابون هنوز دارای آب زیادی است، که باید از بین رفته شود. این امر به صورت سنتی بر روی رول‌های لرزان صورت می‌گیرد، که تولید تراشه‌های صابون می‌کرد و عموما در دهه‌های 1940 و 1950 مورد استفاده قرار می‌گرفته است. این فرایند با روش اسپری کردن خشک کن و سپس خشک کن‌های در خلا کنار گذاشته شد.

صابون خشک (تقریبا 6 – 12% رطوبت) سپس به صورت قرص‌ها یا رشته‌های کوچک فشرده می‌شوند. این قرص‌ها/رشته‌ها اکنون برای تکمیل صابون آماده‌اند، فرایند تبدیل ردیف قرص‌ها صابون به محصولی قابل فروش که معمولا مکعبی شکل است.

قرص‌های صابون با عطرها و مواد دیگر ترکیب می‌شوند و سپس بصورت همگن در یک ملغمه‌گر (مخلوط کن) مخلوط می‌شوند. ماده سپس به درون یک تصفیه کننده منتقل می‌شود که این کار توسط یک مته‌ی بزرگ که صابون را به درون یک صفحه‌‌ی سیمی فشار می‌دهد صورت می‌گیرد. از تصفیه کننده، صابون به روی یک آسیاب چرخنده (آسیاب کردن فرانسوی یا آسیاب کردن سخت) منتقل می‌شود به شیوه‌ای که مشابه غلتاندن (کالندرینگ) کاغذ یا پلاستیک می‌باشد. صابون سپس به یک یا چند تصفیه‌ کننده‌ی اضافی منتقل می‌شود برای بیشتر پلاستیکی کردن ماده صابون. بلافاصله قبل از تخلیه، ماده درون یک تونل خلا منتقل می‌شود تا هرگونه هوای محسور شده از بین برود. سپس ماده به یک تخته بلند یا یک جای خالی ریخته شده و به طول‌های متناسب بریده می‌شود، سپس درون یک شناساگر فلز منتقل می‌شود و سپس در وسایل خنک کننده به اشکال مناسب کوبیده شده و مهر می‌شود. قالب‌های صابون فشرده شده به روش‌های مختلفی بسته بندی می‌شوند.

برای تولید یک صابون تمیز کاری شن یا سنگ پا به محصول ممکن است اضافه شود. عوامل تمیز کننده برای از بین بردن سلول‌های پوست مرده از سطح تمیز شده مورد استفاده قرار می‌گیرند. به این فرایند پوسته پوسته شدگی (exfoliation) می‌گویند. بسیاری از مواد جدیدتر که تاثیر گزار هستند و لبه‌های تیز و توزیع ضعیف اندازه‌ی ذرات در سنگ پا را ندارند برای خاصیت پوسته پوسته شدگی در صابون‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

فلزهای با مقیاس نانومتری معمولا به صابون‌های خاصی برای هر دو خاصیت رنگی کردن و آنتی باکتریایی اضافه می‌شوند. پودر تیتانیوم معمولا در صابون‌های به شدت سفید برای این اهداف اضافه می‌شود؛ نیکل، آلومینیم و نقره کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فلزات زمانی که در برخورد با باکتری قرار می‌گیرند یک رفتار الکترون کشنده از خود نشان می‌دهند که سطح ارگانیسم‌ها را از الکترون‌ها خالی می‌کند، بنابراین عملکرد آن‌ها را مختل کرده و آن‌ها را می‌کشد. به این دلیل که مقداری فلز روی پوست و منافذ باقی می‌ماند، مزایای این مواد می‌توانند بعد از زمان شستن نیز باقی بمانند و به کاهش آلایش باکتریایی و کاهش امکان بوی باکتری‌ها روی سطح پوست کمک ‌کند.

فرایندهای تولید صابون

تولید صنعتی صابون شامل فرایندهای مکرر که خود شامل فرایند مداوم اضافه کردن چربی و برداشت محصول می‌شود، می‌باشد. تولید در مقیاس کوچک‌تر شامل فرایندهای گروهی می‌شود. در این ضمینه سه گونه وجود دارد: فرایند سرد (colf-process)، که در این فرایند، واکنش اساسا در دمای اتاق روی می‌دهد، فرایند نیمه جوشان یا فرایند داغ (hot-process)، که در آن واکنش در شرایطی نزدیک دمای جوش انجام می‌شود، و فرایند کاملا جوشان (fully boiled process)، که در آن واکنشگرها حداقل یک بار جوشانده می‌شوند و گلیسیرین دوباره جمع آوری می‌شود. فرایند سرد و فرایند داغ (نیمه جوشان) ساده‌ترین روش‌ها هستند و معمولا توسط صنعتگران خرده و افراد علاقه‌مند برای تولید صابون‌های دستساز دکوری استفاده می‌شوند. در این روش گلیسیرین در صابون باقی می‌ماند و واکنش برای روزهای بسیاری بعد از قالب گیری صابون ادامه می‌یابد. در روش فرایند داغ نیز گلیسیرین باقی می‌ماند ولی با وجود دمای بالاتر، واکنش تقریبا در ظرف، قبل از قالب گیری صابون تکمیل می‌شود. این فرایند ساده و سریع است و روشی است که در کارخانه‌های کوچک در سرتاسر جهان استفاده می‌شود.

صابون دستساز فرایند سرد همچنین با صابون تولیدی صنعت از لحاظ چربی اضافی مصرفی متفاوت است، علاوه بر این قلیای مورد استفاده نیز فرق دارد (در فرایند سرد، چربی اضافی فوق چربی (superfatting) نامیده می‌شود) و گلیسیرین باقی مانده نیز به عنوان عامل مرطوب کننده استفاده می‌شود. البته، گلیسیرین صابون را نرم‌تر می‌کند و مقاومتش را در برابر خمیری شدن در صورت خیس ماندن افزایش می‌دهد. صابون فرایند داغ نیز گلیسیرین باقی مانده دارد (بهتر است که روغن بیشتری اضافه شود و چربی باقی بماند تا قلیای بیشتری اضافه کنید و در آخر قلیای اضافی باقی بماند) و این روش هم طرفداران و موافقان خود را دارد. اضافه کردن بیشتر گلیسیرین و فراوری این صابون تولید صابون گلیسیرینی می‌کند. صابون فوق چرب، که شامل چربی اضافه است، نسبت به صابون کم چربی بیشتر دوستدار پوست است. البته، اگر چربی زیاد از حد اضافه شود، می‌تواند سبب شود که بعد از شستشو روی پوست حس چرب بودن ایجاد شود. گاهی اوقات یک اضافه‌ی نرم کننده مانند روغن جوجوبا (jojoba oil) یا کره درخت روغن قلم (shea butter) در نقطه trace (در روش سرد، نقطه‌ای که فرایند صابونی شدن به اندازه‌ای پیشرفت کرده که صابون در حال غلیظ شدن است را می‌گویند) اضافه می‌شود بر اساس این عقیده که تقریبا تمامی قلیا مصرف می‌شود و روغن اضافی از فرایند صابونی شدن خارج شده و دست نخورده باقی می‌ماند یا در فرایند داغ تولید صابون، بعد از اینکه روغن‌های اولیه صابونی می‌شوند این کار انجام می‌شود، بنابراین روغن‌ها در محصول صابون نهایی دست نخورده باقی می‌مانند. فوق چرب کردن همچنین می‌تواند توسط یک فرایند به نام تنزیل قلیا (lye discount) انجام شود، که در این فرایند، به جای اضافه کردن چربی اضافی، از قلیای کمتری استفاده می‌شود.

روش سرد

حتی در فرایند صابون سازی به روش سرد نیز مقداری گرما برای پیشبرد واکنش نیاز است. دما معمولا به اندازه کافی برای ذوب کردن چربی تامین می‌شود. ظرف واکنش برای مدتی بعد از مخلوط کردن مواد گرم باقی می‌ماند تا اطمینان حاصل شود که قلیا (هیدروکسید) به طور کامل مصرف شده است. این صابون بعد از تقریبا حدود 48-12 ساعت قابل استفاده است اما در حالت حداکثر کیفیت خود برای استفاده برای چند هفته نیست.

تولید صابون به روش فرایند سرد نیازمند اندازه‌گیری دقیق قلیا و مقدار چربی و محاسبه سرعت آن‌ها در واکنش است که این کار با استفاده از جداول صابونی شدن انجام می‌شود تا اطمینان حاصل شود که محصول مقدار اضافی هیدروکسید یا چربی واکنش نداده‌ نداشته باشد. جداول صابونی شدن همچنین برای فرایند داغ نیز باید مورد استفاده قرار گیرد، ولی برای صابون سازی به روش کاملا جوشان نیاز نیست.

کسی که به روش سرد صابون سازی می‌کند اول مقدار صابونی شدن چربی‌های موجود در جداول صابونی شدن نگاه می‌اندازد. این مقدار برای محاسبه‌ی اندازه‌ی مناسب قلیا مورد استفاده قرار می‌گیرد. میزان زیاد قلیای واکنش نداده در صابون مقدار زیاد pH را نتیجه می‌دهد و می‌تواند پوست را سوزانده یا زخمی کند. از طرف دیگر قلیای ناکافی باعث چرب شدن صابون می‌شود. اکثر صابون سازان دستورالعمل‌های خود را با مقدار کمتر 4-10%قلیا تنظیم می‌کنند بنابراین تمام قلیا تبدیل می‌شود و مقدار اضافی چربی برای مزایای نرم‌کنندگی پوست باقی می‌ماند.

قلیا در آب حل می‌شود. سپس روغن‌ها گرما داده می‌شوند یا اگر در دمای اتاق به صورت جامد باشند ذوب می‌شوند. زمانی که روغن‌ها همه مایع شدند و قلیا به طور کامل در آب حل شد، آن‌ها را با هم مخلوط می‌کنیم. این مخلوط قلیا – چربی با هم تا زمانی که دو فاز (روغن و آب) تشکیل یک امولسیون کامل دهند مخلوط می‌شوند. تشکیل امولسیون به آسانی به صورت شهودی از روی نشانه‌های مرحله‌ی "trace" که غلیظ شدن مخلوط است قابل تشخیص است. (امروزه صابون سازان تازه کار گاهی اوقات از مخلوط کن چسبناک برای سرعت بخشیدن به فرایند استفاده می‌کنند). trace درجات مختلفی دارد. بسته به اینکه چگونه مواد اضافی روی مرحلهtrace اثر می‌گزارند، آن‌ها را می‌توان به trace سبک، trace متوسط یا trace سنگین اضافه کرد. بعد از هم زدن بسیار زیاد، مخلوط به همنواختی (consistency) یک پودینگ رقیق تبدیل می‌شود. "trace" کاملا به ویسکوزیته وابسته است. روغن‌های اساسی (essential oils) و روغن‌های عطری (fragrance oils) را می‌توان همراه با روغن‌های صابون سازی اولیه اضافه کرد، ولی مواد اضافی جامد نظیر مشتقات گیاهی، گیاه، بلغور آرد جو، یا مواد اضافی دیگر به طور معمول اکثرا به trace سبک اضافه می‌شوند، دقیقا زمانی که مخلوط شروع به غلیظ شدن می‌کند.

محتویات ظرف سپس به قالب‌ها ریخته می‌شوند، و توسط دستمال یا روکش گرم نگه داشته می‌شوند، و به همان صورت به مدت 12 الی 48 ساعت رها می‌شوند. (صابون‌های شیر یا صابون‌های دیگر همراه با شکر اضافه شده استثنا هستند. این نوع صابون‌ها معمولا به عایق کردن (روکش گزاشتن) نیاز ندارند، به دلیل حضور شکر که سرعت واکنش را افزایش می‌دهد و گرما آزاد می‌کند.) در طول این زمان، عادی است که صابون به یک فاز ژلی برود، در این اثنا صابون مات برای چند ساعت قبل از اینکه دوباره مات شود به چیزی شفاف تبدیل می‌شود.

بعد از دوره‌ی عایق بودن، صابون به اندازه‌ای سخت است که از قالب خارج شود و به چند تکه بریده شود. در این زمان، امن‌تر است که از صابون استفاده کنید، تا زمانی که صابونی شدن ذاتا در جریان است. البته، صابون‌های تولید شده به روش فرایند سرد معمولا توسط قرار دادن در محفظه خشک کن به مدت 2 – 6 هفته قبل از استفاده اصلاح و سخت می‌شوند. در طول مدت این اصلاح، مقادیر باقی مانده‌ی قلیا از مرحله‌ی trace با صابونی شدن مصرف شده و آب اضافی بخار می‌شود.

 تاریخچه

گیبس در مقاله خود در سال 1873 به نام "روشی در توصیف هندسی خواص ترمودینامیکی مواد در سطوح" خلاصه‌ای ابتدایی از قوانین معادله‌ی جدیدش را معرفی می‌کند که می‌تواند میل فرایندهای طبیعی مختلف را زمانی که اجسام یا سیستم‌ها در تماس قرار می‌گیرند، پیش بینی کند یا تخمین بزند. با مطالعه واکنش‌های مواد همگن در تماس با هم، مانند اجسام، که در اجزای قسمتی جامد، قسمتی مایع و قسمتی بخار موجود هستند و همچنین با استفاده از نمودار 3بعدی حجم – آنتروپی – انرژی درونی، گیبس می‌توانست 3 حالت تعادل را مشخص کند، برای مثال "لزوما پایدار"، "خنثی" و "ناپایدار"، خواه تغیراتی ایجاد می‌شد یا نمی‌شد. در 1876، گیبس بر اساس این چهارچوب مفهوم پتانسیل شیمیایی را معرفی کرد تا بتوان واکنش‌های شیمیایی و حالت‌های اجسامی را که از نظر شیمیایی متفاوت هستند را محاسبه کرد. در صحبت‌های او برای ارائه‌ی نتایجش در 1873، گیبس می‌گوید:

اگر ما بخواهیم در یک معادله موقعیت لازم و کافی تعادل ترمودینامیکی را برای یک ماده در حالت مقدار متوسط فشار (P) و دما (T) ثابت توضیح دهیم، این معادله را می‌توان نوشت:

در اینجا ᵟ مربوط می‌شود به تغییر ایجاد شده توسط هر تغییر در حالت اجزای جسم، و (زمانی که بخش‌های مختلف جسم دز حالت‌های مختلف هستند) در نسبت زمانی‌ که جسم میان حالت‌های مختلف تقسیم شده است. موقعیت تعادل پایدار زمانی است که مقدار داخل پرانتز حداقل باشد.

در این توضیح، همانطور که توسط گیبس استفاده شده، ϵ مربوط به انرژی درونی جسم، ղ مربوط به آنتروپی جسم و v مربوط به حجم جسم است.

شرایط مربوطه

معنی دقیق عبارت پتانسیل شیمیایی به زمینه‌ای که از آن استفاده می‌شود وابسته است.

·         زمانیکه از سیستم‌های ترمودینامیکی صحبت می‌کنیم، پتانسیل شیمیایی بیان کننده پتانسیل شیمیایی ترمودینامیکی است. در این زمینه، پتانسیل شیمیایی تغییر در تابع حالت خواص ترمودینامیکی نسبت به تغییر در تعداد مولکول‌ها است. با توجه به شرایط آزمایشگاهی، تابع حالت خواص ترمودینامیکی این موارد می‌تواند باشد: انرژی درونی (internal energy)، آنتالپی (enthalpy)، انرژی گیبس (Gibbs energy) یا انرژی هلموتز (Helmholtz energy). این استفاده خاص بصورت گسترده توسط شیمیدان‌های تجربی، فیزیکدان‌ها و مهندسان شیمی استفاده می‌شود.

·         شیمیدان‌ها و فیزیکدان‌های نظری معمولا از مفهوم پتانسیل شیمیایی در رابطه با پتانسیل شیمیایی الکترونی استفاده می‌کنند، که این مفهوم مربوط است به مشتق تابعی از تابع چگالی، که گاهی اوقات تابع انرژی نیز خوانده می‌شود، و در نظریه‌ی چگالی تابعی نیز یافت می‌شود. این استفاده خاص از این مفهوم بصورت گسترده در شاخه‌ی نظریه‌ی ساختار الکترونی کاربرد دارد.

·         فیزیکدان‌ها گاهی اوقات از مفهوم پتانسیل شیمیایی در توضیح سیستم‌های نسبیتی اجزای بنیادی استفاده می‌کنند.

پتانسیل شیمیایی ترمودینامیکی

پتانسیل شیمیایی یک سیستم ترمودینامیکی مقداری است که انرژی سیستم تغییر کند اگر یک ذره اضافی تولید شود، زمانی که آنتروپی و حجم ثابت نگاه داشته می‌شوند. اگر یک سیستم بیش از یک نوع ذره داشته باشد، پتانسیل شیمیایی جداگانه‌ای برای هر جزء وجود دارد، که بعنوان تغییر در انرژی زمانی که تعداد ذرات یک گونه توسط دیگری افزایش می‌یابد، تعریف می‌شود. پتانسیل شیمیایی یک پارامتر بنیادی در علم ترمودینامیک است و با تعداد ذره توام است.

پتانسیل شیمایی زمانی‌ که سیستم‌های ذرات در حال واکنش را بررسی می‌کنیم به طور ویژه مهم است. ساده‌ترین حالت دو جزئی را در نظر بگیرید، وقتی ذره‌ای از جزء 1 بتواند به ذره‌ای از جزء 2 تبدیل شود و بالعکس. یک مثال از چنین سیستمی، مخلوطی اشباع از آب مایع (جزء 1) و بخار آب (جزء 2) است. اگر یک سیستم در تعادل باشد، پتانسیل شیمیایی دو جزء باید با هم برابر باشند. از طرف دیگر، یک آزادسازی شبکه‌ای از انرژی بصورت گرما اتفاق می‌افتد (قانون دوم ترمودینامیک) زمانی‌ که اجزای با پتانسیل شیمیایی بالاتر به اجزای دیگر تبدیل می‌شوند و یک جذب شبکه‌ای انرژی (باز هم بصورت گرما) برای تبدیل برعکس اتفاق می‌افتد. در واکنش‌های شیمیایی، شرایط تعادل عموما پیچیده‌تر هستند زیرا بیش از دو جزء درگیر هستند. در این حالت، رابطه‌ی میان پتانسیل‌های شیمیایی در تعادل توسط قانون فعالیت جرمی (law of mass action) بیان می‌شود.

به این دلیل که پتانسیل شیمیایی یک مقدار ترمودینامیکی است، مستقلانه توسط رفتار میکروسکوپی سیستم تعریف می‌شود، برای مثال خواص ذرات جزء تشکیل دهنده. البته، بعضی سیستم‌ها شامل متغیرهایی می‌شوند که هم ارز هستند با پتانسیل شیمیایی. در گازهای فرمی (Fermi gases) و مایعات فرمی (Fermi liquids)، پتانسیل شیمیایی در دمای صفر هم ارز است با انرژی فرمی (Fermi energy). در سیستم‌های الکترونی، پتانسیل شیمیایی به پتانسیل الکترونی موثر وابسته است.

یک روش برای فهم پتانسیل شیمیایی در نظر گرفتن یک مول از متان و 2 مول از اکسیژن است. اگر یک شعله نزدیک این مخلوط شود، واکنش زیر روی می‌دهد:

و انرژی (گرما) آزاد می‌شود. این انرژی از تفاوت در پتانسیل شیمیایی میان CH₄ و O₂ در یک طرف (پتانسیل شیمیایی بالاتر) و CO₂ و H₂O در طرف دیگر (پتانسیل شیمیایی کمتر) حاصل می‌شود. تمام انرژی که آزاد می‌شود توسط این معادله بدست می‌آید:

مثال‌های مشابه را می‌توان در باتری‌ها زمانی که انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود یافت.

مقدمه

در علم ترمودینامیک، پتانسیل شیمیایی که با µ نشانه گزاری می‌شود، مقدار پتانسیلی است که یک ماده باید تولید کند برای اینکه یک سیستم را تغییر دهد. در وسیع‌ترین معانی، پتانسیل شیمیایی مشابه پتانسیل الکتریکی یا پتانسیل گرانشی است که از همان نظریه‌ی میدان‌های نیرو به عنوان حرکت اشیا استفاده می‌کند، که این میدان‌ها می‌توانند بارهای الکتریکی، اجرام یا در حالتی مواد شیمیایی باشند. پتانسیل شیمیایی اولین بار توسط مهندس آمریکایی، شیمیدان و ریاضی فیزیک دان، جوسایا ویلارد گیبس (Josiah Willard Gibbs) توصیف شد. او پتانسیل شیمیایی را مانند زیر تعریف کرد:

اگر به هر جرم همگنی در حالت تنش ایستایی (hydrostatic stress) فرض کنیم مقداری بی‌نهایت کوچک از ماده‌ای اضافه شود، جرم همگن می‌ماند و آنتروپی و حجم آن بدون تغییر باقی می‌ماند، افزایش انرژی جرم که توسط ماده اضافه شده پخش می‌شود پتانسیل شیمیایی آن ماده در جرم مطرح شده است.

گیبش بعدها اشاره کرد که همچنین برای اهداف این تعریف، هر عنصر شیمیایی یا مخلوطی از عناصر با ترکیب درصد معین می‌تواند به عنوان یک ماده در نظر گرفته شود، خواه بتواند، خواه نتواند به عنوان یک جسم همگن وجود داشته باشد. این آزادی در انتخاب حدود سیستم باعث می‌شود که پتانسیل شیمیایی در محدوده‌ی گسترده‌ای از سیستم‌ها استفاده شود. این مفهوم می‌تواند در علم ترمودینامیک و فیزیک برای هر سیستم در حال تغییر استفاده شود. پتانسیل شیمیایی همچنین معادل است با مقدار پارشیال مولار انرژی گیبس (partial molar gibbs energy). در اصل ابتدا رابطه‌ی مقدار پارشیال مولار انرژی گیبس کشف شد اما به دلیل اهمیت و کاربردهای زیاد آن در سیستم‌های تعادلی ترمودینامیکی نام پتانسیل شیمیایی را روی آن گزاشتند. پتانسیل شیمیایی در واحد انرژی/ذره (energy/particle) یا معادل آن انرژی/مول (energy/mole) اندازه‌گیری می‌شود.

در شیمی، پتانسیل شیمیایی معمولا منحصر می‌شود به مواردی که شامل تغییر شیمیایی می‌شود یا تغییر فیزیکی که بر روی مسیر واکنش شیمیایی تاثیر دارد (فاز، غلظت و ...) و یا مربوط می‌شود به خاصیتی مانند چگالی الکترونی. در علم فیزیکی ایستایی مدرن، پتانسیل شیمیایی، توسط دما تقسیم می‌شود و ضرب کننده‌ی لاگرانژ (Lagrange multiplier) برای متوسط محدودیت ذرات در حداکثر سازی آنتروپی است. این یک تغریف علمی جامع و انتزاعی هست، دقیقا مانند دما که بصورت ضرب کننده‌ی لاگرانژ برای محدودیت متوسط انرژی تعریف می‌شود.

در الکتروشیمی و بعضی شاخه‌های مرتبط، کلمه پتانسیل شیمیایی برای مفهوم تغییرات اساسی (ولی مرتبط) استفاده می‌شود که بصورت پتانسیل شیمیایی درونی (internal chemical potential) تعریف می‌شود.

در فیزیک نیمه رسانا، پتانسیل شیمیایی یک سیستم از الکترون‌ها به عنوان تراز فرمی (Fermi level).

دید کلی

ذرات علاقه دارند که از پتانسیل شیمیایی بیشتر به پتانسیل شیمیایی کمتر منتقل شوند. به این روش، پتانسیل شیمیایی یک تعمیم از پتانسیل‌ها در فیزیک هست مانند پتانسیل گرانشی. وقتی یک توپ به سمت پایین یک تپه می‌غلتد، از پتانسیل گرانشی بالاتر (ارتفاع بالاتر) به سمت پتانسیل گرانشی پایین‌تر (ارتفاع پایین‌تر) در حرکت است. به همین شیوه، همزمان با حرکت، واکنش، حل شدن و ... مولکول‌ها، آن‌ها همواره بصورت طبیعی از پتانسیل شیمیایی بالاتر به مقدار پایین‌تر می‌روند.

یک مثال دیگر یک لیوان آب همراه با قطعات یخ در آن است. بالای 0^oC، یک مولکول H₂O به عنوان یک قسمت از مایع دارای پتانسیل شیمیایی پایین‌تری هست نسبت به قسمتی از قطعه یخ. یخ برای اینکه مولکول‌های H₂Oپتانسیل شیمیایی خود را پایین بیاورند ذوب می‌شوند. پایین 0^oC، یخ دارای پتانسیل شیمیایی کمتری هست، لذا قطعات یخ رشد می‌کنند. دقیقا در 0^oC، پتانسیل شیمایی برای آب و یخ مشابه هست؛ قطعات یخ نه رشد می‌کنند و نه کاهش می‌یابند، و سیستم در حال تعادل است.می‌توان به زبانی ساده‌تر گفت در یک سیستم چند فازی تا زمانی ماده میان فازهای تبادل می‌شود که انرژی پتانسیل ماده در دو فاز یکسان شود و از آن به بعد تعادل رخ می‌دهد. لازم به ذکر هست که تعادلات همواره در فشار و دمای یکسان صورت می‌گیرند.

در الکتروشیمی، یون‌ها همواره تمایل ندارند از پتانسیل شیمی بالاتر به پایین‌تر حرکت کنند، ولی همواره از پتانسیل الکتروشیمی بالاتر به پایین‌تر حرکت می‌کنند. پتانسیل الکتروشیمیایی کاملا تمام تاثیرات بر روی حرکت یون را مشخص می‌کند، در حالیکه پتانسیل شیمیایی شامل همه چیز می‌شود به جز نیروی الکتریکی.

 تعریف جامع

یک سیستم ترمودینامیکی شامل n جزء را در نظر بگیرید. تمام انرژی درونی آن U بعنوان تابعی از آنتروپی S، حجم V و تعداد ذرات هر جزء N₁, …, N₂ شمرده می‌شود.

با در نظر گرفتن U بعنوان انرژی درونی، واضح است که بخش انرژی حاصل از واکنش میان سیستم و محیط خارجی در نظر گرفته نشده است. برای مثال، انرژی پتانسیل گرانشی میان سیستم و زمین در U دخیل نیست.

پتانسیل شیمیایی جزء i، به شکل مشتق جزئی یا پارشیال (partial derivative) بیان می‌شود

در اینجا زیروندها به سادگی بیان می‌کنند که آنتروپی، حجم و تعداد ذرات اجزای دیگر ثابت نگاه داشته شده‌اند.

یک تعریف مشابه برای پتانسیل شیمیایی نیز می‌تواند به صورت مشتق پارشیال آنتالپی H نشان داده شود (تحت شرایط آنتروپی و فشار ثابت)

در سیستم‌های حقیقی (real)، معمولا ثابت نگاه داشتن آنتروپی سخت است، زیرا این کار نیازمند عایق کاری ترمودینامیکی بسیار کامل است. بنابراین مناسب‌تر است که انرژی هلموتز (Helmholtz energy) را به صورت Aتعریف کنیم، که یک تابع از دما T، حجم و تعداد ذرات است:

در بیان انرژی هلموتز، پتانسیل شیمیایی به صورت زیر هست

تحقیقات آزمایشگاهی معمولا تحت شرایط دما و فشار ثابت صورت می‌گیرند. تحت این شرایط، پتانسیل شیمیایی مشتق پارشیال انرژی گیبس (Gibbs energy) با توجه به تعداد ذرات است

در اینجا، پتانسیل شیمیایی به عنوان انرژی بر حسب مولکول تعریف شد. متغیر بودن این تعریف برای بیان پتانسیل شیمیایی بر حسب انرژی بر مول می‌باشد.

مقادیر پتانسیل شیمیایی

برای شرایط استاندارد (T=298.15; p=1atm) مقادیر پتانسیل شیمیایی جدول بندی شده است. اگر پتانسیل شیمیایی در یک حالت مشخص شناخته شده باشد (برای مثال برای حالات استاندارد)، سپس می‌تواند توسط یک تخمین خطی برای فشارها و دماها در حدود این حالت محاسبه شود:

و

در اینجا داریم

یک ضریب تأثیر دمایی است و

ضریب تأثیر فشاری است.

توسط روابط ماکسول داریم

و

این روابط این مطالب را در پی دارد که ضریب تأثیر دمایی برابر است با منفی آنتروپی مولار و ضریب تأثیر فشاری برابر است با حجم مولار.

اصطلاح پتانسیل شیمیایی برای سیستم‌های مختلف

برای سیستم‌های غیر ایده‌آل مانند گازها یا محلول‌های حقیقی پتانسیل شیمیایی به این صورت بیان می‌شود:

که در اینجا a_i اکتیویتی (فعالیت، activity) یک جزء در مخلوط است.

 پتانسیل شیمیایی الکترونی

پتانسیل شیمیایی الکترونی مشتق تابعی از تابع چگالی با توجه به چگالی الکترونی می‌باشد.

اصولا، یک مشتق تابعی خود توابع بسیاری را حاصل می‌کند، ولی یک تابع مشخص است وقتی ارزیابی حول یک مرجع چگالی الکترونی باشد – فقط بعنوان یک مشتق که یک تابع تولید می‌کند، ولی یک عدد مشخص است وقتی حول یک نقطه‌ی مرجع ارزیابی می‌شود. تابع چگالی به این شکل نوشته می‌شود:

در اینجا v(r) پتانسیل صوری (خارجی) است، برای مثال پتانسیل الکترواستاتیک هسته و میدان‌های کاربردی، و Fتابع عمومی است که انرژی سینتیک الکترون‌ها و واکنش‌های الکترون-الکترون را توضیح می‌دهد، برای مثال انرژی سینتیک، دافعه کولنی الکترون، و تأثیرات غیر کلاسیک اصل طرد پاولی (exchange: Pauli exclusion principle) و همبستگی الکترونی (correlation). توسط این تعریف عمومی از تابع چگالی، پتانسیل شیمیایی به این شکل نوشته می‌شود

بنابراین، پتانسیل شیمیایی الکترونی پتانسیل مؤثر الکترواستاتیکی است که توسط چگالی الکترونی صورت می‌گیرد.

حالت پایه‌ی چگالی الکترونی توسط بهینه سازی متغیر اجباری انرژی الکترونی (constrained variational optimization of the electronic energy) مشخص می‌شود. اعمال کردن عملگر لاگرانژ بر نرمال سازی اجباری چگالی همچنین پتانسیل شیمیایی نیز خوانده می‌شود، یعنی

که در اینجا N تعداد الکترون‌های سیستم و µ عملگر لاگرانژ عامل اجبار (یا قید و یا محدودیت) است. وقتی این حالت متغیر اثبات شود، مفاهیم موجود در آکلاد از خاصیت پیروی می‌کنند

که در اینجا چگالی موجود، همان چگالی است که انرژی را حداقل می‌کند. این مفهموم به این صورت ساده می‌شود

عملگر لاگرانژ عامل قید به تعبیر، یک مقدار ثابت است؛ البته، مشتق تابعی یک ادراک مشخص است، یک تابع. بنابراین، زمانی که چگالی انرژی الکترونی را به حداقل می‌رساند، پتانسیل شیمیایی همان مقدار مشابه را در هر نقطه در فضا دارد. گرادیان پتانسیل شیمیایی یک میدان الکتریکی مؤثر است. یک میدان الکتریکی نیروی هر واحد بار را به عنوان یک تابع از فضا معرفی می‌کند. بنابراین، زمانی که چگالی حالت پایه‌ی چگالی باشد، چگالی الکترونی ثابت است، ریزا گرادیان پتانسیل شیمیایی (که با مکان تغییر نمی‌کند) در هرجا صفر است؛ یعنی تمامی نیروها در تعادل (بالانس) هستند. چون چگالی یک تغییر را از حالت غیر پایه چگالی به حالت پایه چگالی می‌برد، گفته می‌شود که یک فرآیند تعادل پتانسیل شیمیایی ایجاد شده است.

پتانسیل شیمیایی یک اتم گاهی منفی الکترونگاتیوی اتم گفته می‌شود. به همچنین، فرآیند تعادل پتانسیل شیمیایی گاهی بعنوان یک فرایند تعادل الکترونگاتیوی انگاشته می‌شود. این رابطه از تعریف مالیکن (Mulliken) از الکترونگاتیوی نشأت می‌گیرد. با قرار دادن تعریف انرژتیک از پتانسیل یونیزاسیون (ionization potential) و الکترون خواهی (electron affinity) درون اکترونگاتیوی مالیکن، می‌توان نشان داد که پتانسیل شیمیایی مالیکن یک تخمین محدود از انرژی الکترونی با توجه به تعداد الکترون‌ها می‌باشد. یعنی

که در اینجا IP و EA به ترتیب پتانسیل یونیزاسیون و الکترون خواهی اتم می‌باشند.

 پتانسیل شیمیایی ذرات بنیادی

در سال‌ها اخیر، علم فیزیک گرمایی از مفهوم پتانسیل شیمیایی برای سیستم‌های موجود در فیزیک ذرات و فرایندهای مرتبط با آن استفاده می‌کند. عموما، پتانسیل شیمیایی میل ذرات به پراکنده شدن را اندازه می‌گیرد. این خصوصیت بر روی پتانسیل شیمیایی به عنوان تابعی از موقعیت فضایی تمرکز دارد. ذرات تمایل دارند تا از ناحیه‌های با پتانسیل بالا به ناحیه‌های با پتانسیل پایین‌تر پراکنده شوند. با در نظر گرفتن تابع انرژی درونی، پتانسیل شیمیایی به طور مساوی در هر دو ذرات فرمیون و بوزون کاربرد دارد. به بیان دیگر، در نظریه، هر ذره بنیادی می‌تواند یک مقدار پتانسیل شیمیایی داشته باشد، که بستگی دارد به چگونگی ایجاد تغییرات انرژی درونی توسط ذرات با توجه به سیستمی که در حال مطالعه است. کاربرد مفاهیم پتانسیل شیمیایی برای سیستم‌های در صفر مطلق خود یک جاذبه‌‌ی قابل توجه دارد.

برای سیستم‌های نسبیتی (سیستم‌های مطابق با نظریه نسبیت یعنی سیستم‌هایی که جرم سکون بسیار کوچکتر از انرژی گرمایی معادل است) پتانسیل شیمیایی مربوط می‌شود به تقارن‌ها و بارها. هر مقدار بدون تغییر (conserved quantity) در ارتباط است با یک پتانسیل شیمیایی.

در یک گاز از فوتون‌ها در تعادل با ذرات جرم، تعداد فوتون‌های ثابت نیستند و بنابراین در این حالت، پتانسیل شیمیایی صفر است. همچنین برای یک گاز از فوتون‌ها، همچنین هیچ پتانسیل شیمیایی وجود ندارد. البته، اگر دمای چنین سیستمی در حال افزایش به بیش از آستانه‌ی جفت سازی الکترون باشد، سپس در نظر گرفتن یک پتانسیل شیمیایی برای بار الکتریکی می‌تواند معقول باشد. این مطلب چگالی بار الکتریکی یک سیستم را کنترل می‌کند و پس از این زیادی الکترون‌ها نسبت به پوزیترون‌ها ولی نه تعداد فوتون‌ها. در مفهوم در حالتی که یک گاز فونون وجود دارد، دما به مقداری بالا هست که ذرات دیگر را که ندرتا به هم مربوط هستند را جفت سازی کند. ماده کوارکی یک مثال اولیه است از سیستمی که بسیاری از چنین پتانسیل‌های شیمیایی در آن ظاهر می‌شود.

پتانسیل شیمیایی داخلی، خارجی و کل

وقتی میان دو مکان اختلاف پتانسیل شیمیایی وجود دارد، مقداری از آن ممکن است به دلیل پتانسیل در ارتباط با میدان‌های نیروی خارجی باشد (اختلاف انرژی پتانسیل الکتریکی، اختلاف انرژی پتانسیل الکتریکی و ...)، در حالیکه بقیه به دلیل عوامل داخلی (چگالی، دما و ...) است. پتانسیل شیمیایی حقیقی گاهی انرژی پتانسیل شیمیایی کل نیز خوانده می‌شود، که خود می‌تواند به پتانسیل شیمیایی داخلی و پتانسیل شیمیایی خارجی تقسیم شود.

که در اینجا

یعنی، پتانسیل خارجی مجموع پتانسیل الکتریکی، پتانسیل گرانشی و ... می‌باشد. (q و m بترتیب بار و جرم اجزاء، V و h بترتیب ولتاژ و ارتفاع محفظه است و g شتاب حاصل از گرانش است)

اگرچه عبارت "پتانسیل شیمیایی" معمولا به "پتانسیل شیمیایی کل" اطلاق می‌شود، این مطلب به صورت جهانی مشاهده نمی‌شود. در بعضی از زمینه‌ها، به ویژه در الکتروشیمی، عبارت "پتانسیل شیمیایی" در عوض برای مفهوم پتانسیل شیمیایی داخلی استفاده می‌شود، در حالیکه عبارت پتانسیل الکتروشیمیایی برای مفهوم پتانسیل شیمیایی کل استفاده می‌شود. البته، در فیزیک حالت جامد، صریحا قرارداد عکس در مفهوم الکترون‌ها استفاده می‌شود، که در آن "پتانسیل شیمیایی" به مفهوم پتانسیل شیمیایی کل و "پتانسیل الکتروشیمیایی" به معنی پتانسیل شیمیایی داخلی است.

رنگینه‌ها در مقابل رنگدانه‌ها

با توجه به حلالیت این مواد، رنگزاهای آلی به دو دسته تقسیم می‌شوند؛ رنگینه‌ها (Dyes) و رنگدانه‌ها (Pigments). تفاوت اساسی این است که رنگینه‌ها محلول در آب و/یا حلال آلی هستند، در حالیکه رنگدانه‌ها در هر دو نوع مایع غیر محلول هستند. رنگینه‌ها برای رنگ کردن اجزایی که کشش دارند استفاده می‌شوند. رنگدانه‌ها می‌توانند برای رنگ کردن هر جزء پلیمری مورد استفاده قرار گیرند البته با مکانیسمی کاملا متفاوت از رنگینه‌ها، که در آن فقط رنگرزی سطحی دخیل است مگر اینکه رنگدانه‌ها با پلیمر قبل از تشکیل ذرات لیف یا قالب مخلوط شوند.

ملاحظات در ساخت رنگینه‌ها

کشش جزء – رنگینه

رنگینه‌ها یک یا تعداد بیشتری گروه آزو در خود دارند (یعنی رنگینه‌ها آزو) که شامل خانواده بسیار بزرگی از رنگینه‌های آلی می‌شود. گونه‌های مهم عبارتند از 1) رنگینه‌های اسیدی برای پلی‌آمید و اجزای پروتئینی مانند نایلون، پشم، و ابریشم؛ 2) رنگینه‌های پخش شونده یا دیسپرس (disperse) برای اجزای آبگریز مانند پلی‌استر و استات، و 3) رنگینه‌های مستقیم و فعال برای اجزای سلولزی مانند پنبه، ریون (ابریشم مصنوعی: rayon)، کتان، و کاغذ. عموما، سنتز رنگینه‌های آزو شامل دو مرحله است. مرحله 1 تبدیل یک آمین آروماتیک به ترکیب دی‌آزو (یعنی Ar-NH₂ à Ar-N²⁺)، این فرایند با نام diazotization شناخته می‌شود، و مرحله 2 واکنش ترکیب دی‌آزو با فنول، نفتل، آمین آروماتیک، یا یک ترکیب که گروه متیلن فعال دارد، می‌باشد، تا تولید رنگینه‌ی آزو مورد نظر را کند، که این فرایند تحت عنوان جفت‌ سازی دی‌آزو (diazo coupling) شناخته می‌شود (برای مثال. Ar-N²⁺+Ar’-OH à Ar-N=N-Ar’-OH). این فرایند برای تشکیل هم رنگینه و هم رنگدانه‌ی آزو مناسب است. ساختارهای معمول رنگزاهایی که به دو گروه تقسیم می‌شوند در شکل 7 نشان داده شده است.

به این دلیل که تأثیر گزاری فرایند رنگرزی یا پرینتینگ معمولا منوط است بر کشش میان رنگینه و جزء مورد عمل، رنگینه‌ها با توجه به جزء مورد عمل فرضی تولید می‌شوند. با توجه به این مطلب، رنگینه‌ها باید باید به گونه‌ای ساخته شوند که الف) کشش بیشتر برای جزء مورد عمل نسبت به واسطه (medium) (معمولا آب) با توجه به زمینه کاربرد و ب) درجه‌ی بالایی از ثبات تحت شرایط کاربرد (برای مثال. مقاومت در برابر کمرنگ شدن در مقابل آب و/یا نور آفتاب). در ادامه خلاصه‌ای از انواع ملاحظات در تعامل با تولید رنگینه‌ها برای اجزای پلیمری (بویژه پایه لیف) را می‌آوریم. توانایی رنگزاها برای یک نوع جزء مشخص نتیجه‌ی فرایند پیش بینی طرح مولکول است که جزء مورد عمل و کاربرد را مورد توجه قرار می‌دهد.

رنگینه‌ها برای پلی‌استر

رنگینه‌های تولیدی برای پلی‌استرها به عنوان رنگینه‌های پخش شونده (disperse) شناخته می‌شوند. در این مورد، مکانیسم رنگی کردن شامل حل کردن رنگینه در ماتریکس پلیمری برای تشکیل یک محلول جامد-جامد می‌شود. با استفاده از مزایای این قانون شناخته شده که "همنوع، همنوع را در خود حل می‌کند"، رنگینه‌های پخش شونده به طوری طراحی شده‌اند که در طبیعت آبگریز هستند. چنین رنگزاهایی بسیار اندک در آب حل می‌شوند و اسم‌هایشان نیز از این حقیقت که پخش شوندگی آن‌ها خیلی بهتر از حالت حل شده در آب می‌تواند عمل رنگ کردن را انجام دهد نشأت می‌گیرد. یک نمونه C.I. Disperse Blue 165 (شکل 7) هست. رنگینه‌های پخش شونده هیچ کششی نسبت به پلیمرهای آبدوست ندارند، مانند سلولز، که این مطلب سبب می‌شود این رنگینه‌ها برای رنگ کردن پنبه، سلوفان و کاغذ مناسب نباشند و در عض برای رنگ کردن پلی اتیلن ترفتالات (PET) و سلولز استات بسیار مناسب باشند.

رنگینه‌ها برای پلی‌آمیدها و پروتئین‌ها

رنگینه‌ها برای این مواد معمولا با ماتریکس پلیمر تشکیل پیوندهای یونی می‌دهند (شکل 8). در این حالت رنگینه‌هایی که دارای یک بار منفی (آنیونی) هستند مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا پلی‌آمیدها مانند نایلون و پلوتئین‌ها مانند پشم، ابریشم و چرم دارای بار مثبت (کاتیونی) هستند _ خصوصا در زمان فرایند رنگرزی. رنگینه‌های آنیونی برای مواد پلی‌آمیدی و پروتئینی به عنوان رنگینه‌های اسیدی شناخته می‌شوند، یک مثال از این گونه C.I. Acid Black (شکل 9) می‌باشد. این رنگینه‌ها اسم‌هایشان را از این حقیقت می‌گیرند که آنها معمولا برای موادی که در حد متوسط دارای خاصیت اسیدی هستند  مورد استفاده قرار می‌گیرند. این رنگینه‌ها مقدار کم یا تقریبا هیچ کششی نسبت به پلی‌استر، سلولز یا پلیمرهای کاتیونی ندارند زیرا چنین موادی نمی‌توانند یک پیوند یونی با آن‌ها برقرار کنند.

رنگینه‌ها برای پلیمرهای کاتیونی

رنگینه‌ها برای این مواد نیز با ماتریکس پلیمر تشکیل پیوند یونی می‌دهند. در این حالت، رنگینه‌هایی که حامل یک بار مثبت (کاتیونی) هستند مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا پلیمرهایی نظیر پلی‌اکریلونیتریل (poly acrylonitrile) حامل یک بار منفی (آنیونی) هستند که خاصیت یونی جزء مورد عمل را برخلاف آنچه در بالا برای رنگینه‌های اسیدی توضیح دادیم می‌کند. رنگینه‌های کاتیونی برای مواد اکریلیک از ابتدا به عنوان رنگینه‌های بازی شناخته می‌شدند، یک نمونه از این گروه C.I. Basic Red 18 (شکل 9) می‌باشد. امروزه، آن‌ها اسم خود را از این حقیقت گرفته‌اند که این مواد با گروه کاتیونی واکنش می‌دهند. این رنگینه‌ها هیچ کششی نسبت به پلی‌استر، سلولز یا پلیمرهای پلی‌آمیدی ندارند، زیرا چنین موادی نمی‌توانند تشکیل پیوند یونی با آن‌ها دهند، البته، رنگینه‌های کاتتیونی می‌توانند برای رنگرزی الیاف پروتئینی مورد استفاده قرار گیرند و در حقیقت اولین رنگینه سنتزی، موفین (mauveine) (با اسم شیمیایی 3-آمینو-2و9-دی متیل-5-فنیل-7-(پی-تولیلامینو) فنازینیوم استات) یک رنگینه بازی بوده که برای رنگ کردن ابریشم مورد استفاده قرار می‌گرفته. این نشان‌دهنده مزایای حضور گروه کربوکسیلات (-CO₂^-) در ابریشم و پشم می‌باشد.