2.6: 化学平衡和溶解平衡

将溶质溶解在一升溶剂中所伴随的自由能变化称为溶液的自由能，ΔG_solution。 总体 ΔG_solution 表示为 ΔG_interaction 与始终有利的混合自由能 ΔG_mixing 之间的平衡。 如果 ΔG_solution 小于零，则溶液形成是有利的，而如果 ΔG_solution 大于零，则不利。 简而言之，为了形成溶液并实现完全溶解，吉布斯能量变化必须为负值。 溶质在溶剂中的溶解量取决于组分之间分子间力的强度， 这种性质称为溶解度。

除了混合自由能之外，非共价相互作用也有助于溶液的形成。能够形成氢键的物质称为极性物质。 在这种情况下，溶质颗粒与溶剂颗粒的偶极-偶极吸引力与纯溶质或溶剂中分子之间的偶极-偶极吸引力一样强。 因此，两种分子很容易混合。 同样，非极性液体可以相互混溶，因为溶质-溶质、溶剂-溶剂以及溶质-溶剂分子间吸引力的强度没有明显差异。 如果溶质和溶剂之间的分子间吸引力与纯液体中的吸引力类似，则 Δ G_interaction可以忽略不计。 总体 ΔG_solution 等于 ΔG_mixing，并且溶质能够完全溶解在溶剂中。 然而，如果两种明显不同的物质混合，溶液形成的概率取决于ΔG_interaction和ΔG_mixing之间的平衡。 即使 ΔG_interaction 为正，只要它的值不太高，它们仍然可以形成溶液。

回想一下，溶液的形成受混合熵 ΔS_混合的调节。混合的相关自由能 ΔG_混合通过代入吉布斯自由能方程中的 ΔS_混合来表示。

由于 ΔS_混合与分子间相互作用无关，因此忽略了与这些相互作用相关的能量变化，方程中 ΔH_混合的值为 0。因此，ΔG_混合等于负 T 乘以 ΔS_混合。

与溶质溶解在一升溶剂中的自由能变化称为溶液的自由能，即 ΔG_溶液。在数学上，它表示为成分粒子之间混合的自由能 ΔG_混合和相互作用的自由能 ΔG_相互作用之和。

如果溶剂-溶质相互作用无法克服溶质-溶质和溶剂-溶剂相互作用，则 ΔG_相互作用大于 0。

如果 ΔG_交互作用足够大，则 ΔG_解大于零。随着 ΔG_溶液的增加，溶解在溶剂中的溶质量减少。

相反，如果 ΔG_相互作用可以忽略不计，则整个 ΔG_溶液等于 ΔG_混合，溶质完全溶解在溶剂中。

考虑将戊烷溶解在己烷中。溶液中的己烷-戊烷吸引力取代了纯液体中的一些戊烷-戊烷和己烷-己烷吸引力。由于两个分子属于同一类型，因此 ΔG_相互作用接近于 0，ΔG_混合占主导地位，并形成溶液。

溶液的形成取决于 ΔG_相互作用和 ΔG_混合之间的平衡。即使 ΔG_相互作用为正，只要它不是太高，也可以形成解。

简而言之，如果 ΔG_溶液小于 0，则溶液形成是有利的，而如果 ΔG_溶液大于 0