溶解度

溶解度

溶解度描述了在给定体积的特定溶剂中可以溶解多少溶质。溶解度通常以单位溶剂体积的溶质质量或单位溶剂质量的溶质质量来报告。例如，据报道，氯化钠在室温下在水中的溶解度为每 100 mL 水 36 g。如果溶解度以溶质质量/溶剂质量数报告，则需要将溶剂质量转换为体积以进行进一步计算。

溶解度随温度变化。例如，据报道，碳酸钠在水中的溶解度在约 0 °C 时为 7 g/100 mL，室温下为 22 g/100 mL，在 100 °C 时为 44 g/100 mL。溶解度往往随温度升高而增加，但也有例外。

溶解溶质量最大的溶液称为饱和溶液。此时，进一步添加的溶质将保持未溶解状态，并在溶液中保持沉淀。例如，在室温下将 36 g 氯化钠溶解在 100 mL 水中，即为饱和氯化钠溶液。

溶质的溶解度因溶剂而异。例如，氯化钠在室温水中的溶解度为每 100 mL 36 g，但在甲醇中的溶解度仅为每 100 mL 1.1 g，在二甲基甲酰胺中的溶解度甚至更低，为每 100 mL 0.034 g。

预测溶质在溶剂中的溶解度的一种方法是遵循"同类溶出"规则。极性溶质或具有离子键或分子内电负性较大差异的溶质，往往更易溶于极性溶剂，而更不易溶于非极性溶剂。非极性溶质往往更易溶于非极性溶剂，而更不易溶于极性溶剂。

溶解度平衡

当溶质溶解时，溶剂分子通过分子间作用力与溶质分子形成微弱相互作用，同时通过分子内力相互相互作用。溶解溶质并将其保持在溶液中的过程称为溶剂化。溶解以不同的方式进行，具体取决于被溶解的分子。离子盐、强酸和强碱会解离成它们的组分离子。过渡金属配合物通常将其一些配体交换为溶剂分子。其他分子可以简单地按原样溶剂化。

每个可逆溶解过程都可以写成化学方程式，并具有平衡常数。例如，氯化钠在水中的溶解度可以写成:

NaCl_（s） ⇌ Na⁺_（aq） + Cl^-_（aq）

当溶液尚未饱和时，通常有利于溶解。一旦解饱和，它就处于动态平衡状态。每溶解一个额外的氯化钠分子，就会有一个氯化钠分子从溶液中沉淀出来，因此系统的整体变化不会。

对于通用反应 aA + bB ⇌ cC + dD，简化的平衡常数写为:

在计算溶解过程的平衡常数时，任何固体的浓度都可以设置为 1。因此，有一个更简单的方程版本，专为溶解时解离的化合物（例如离子盐）而设计:

A_xB_y（s） ⇌ xA⁺_（aq） + yB^-_（aq）

K_sp = [A]^x[B]^y

K_sp 称为溶解度产物，只要需要平衡常数，就可以使用。

热力学

热力学的一个基本原理是，系统会尽可能地走向低能量、更无序的状态。这是化学反应的驱动力之一。然而，仅从化学方程式中可能很难预测什么能达到能量和无序的最佳平衡。

例如，当溶质溶解时，无序状态既有增加也有减少。从有序固体到溶剂化分子在溶液中移动的变化增加了溶质的无序性，特别是如果分子也解离成它们的组分离子。然而，溶剂分子必须聚集到每个分子或解离离子周围的有序"笼子"中才能对其进行溶解。

反应的平衡常数与系统中可用于做可逆功的能量有关，称为吉布斯自由能或吉布斯能，缩写为 G。反应或过程前后的吉布斯能量变化写为 ΔG，可以用以下方程根据该反应的平衡常数计算:

ΔG = –RT ln（K）

其中 R 是理想气体常数，T 是以开尔文为单位的温度，K 是平衡常数。

如果 ΔG 为正，则系统在反应结束时的吉布斯能量高于反应开始时的吉布斯能量。这通常意味着系统需要吸收能量来执行反应。如果 ΔG 为负，则系统在反应结束时具有较低的吉布斯能量。这意味着系统已经有足够的能量来执行反应。ΔG 为负的反应称为自发反应。

吉布斯能与另外两个有用的热力学参数熵 （S） 和焓 （H） 有关，公式如下:

ΔG = ΔH – TΔS

熵表示系统的无序或随机性。我们假设我们的反应发生在一个孤立的系统中，因此在反应过程中熵不可能有净减少。最终的熵量必须等于或大于起始量，即熵的整体变化 （ΔS） 必须为零或正数。一旦系统达到平衡，熵就没有净变化。

焓表示系统的内能加上由系统中的压力或体积变化引起的任何功。由于溶解过程中的任何压力或体积变化都可以忽略不计，因此我们可以将焓变视为反应过程中传入或传出系统的能量，通常为热量。

如果焓变 （ΔH） 为正，则系统在反应结束时的内能比开始时多，因此在反应过程中吸收了能量。这通常是由于系统在反应过程中变得更冷而观察到的，因此我们称这些反应为吸热反应。如果焓变为负，则系统在反应结束时的内能较少。因此，系统在反应过程中必须释放能量，通常以热量的形式。这些反应称为放热反应。

引用

1. 哈里斯，哥伦比亚特区（2015 年）。定量化学分析。纽约州纽约市:W.H. Freeman and Company。