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Chemische Gleichgewichte und Löslichkeitsgleichgewichte
Die Änderung der freien Energie, die mit der Auflösung einer gelösten Substanz in einem Liter Lösungsmittel einhergeht, wird als freie Energie einer L…
Es sei daran erinnert, dass die Lösungsbildung durch die Entropie des Mischens, die ΔS-Mischung, reguliert wird. Die assoziierte freie Energie des Mischens, ΔG-Mischung, wird ausgedrückt, indem ΔS-Mischung in der Gibbs-Gleichung für freie Energie
eingesetzt wird.Da die Δ S-Mischung unabhängig von intermolekularen Wechselwirkungen ist, werden die mit diesen Wechselwirkungen verbundenen Energieänderungen vernachlässigt, und der Wert der Δ H-Mischung in der Gleichung beträgt 0. Somit ist die Δ G-Mischung gleich dem negativen T mal der Δ S-Mischung.
Die Änderung der freien Energie, die mit dem Auflösen eines gelösten Stoffes in einem Liter Lösungsmittel verbunden ist, wird als freie Energie einer Lösung, ΔG-Lösung, bezeichnet. Mathematisch ausgedrückt wird sie als die Summe der freien Energie des Mischens, ΔGMischen, und der freien Energie der Wechselwirkung, ΔGWechselwirkung, zwischen den Komponententeilchen ausgedrückt.
Wenn die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff die Wechselwirkungen zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel nicht überwinden können, ist die Δ G-Wechselwirkung größer als 0.
Wenn die Δ G-Wechselwirkung groß genug ist, ist die ΔG-Lösung größer als Null. Mit zunehmender ΔG-Lösung nimmt die Menge des gelösten Stoffes, die sich in einem Lösungsmittel löst, ab.
Ist die Δ G-Wechselwirkung dagegen vernachlässigbar, entspricht die Gesamt-Δ G-Lösung derΔ G-Mischung, und der gelöste Stoff löst sich vollständig im Lösungsmittel auf.
Erwäge, Pentan in Hexan aufzulösen. Hexan-Pentan-Anziehungspunkte in der Lösung ersetzen einige der Pentan-Pentan- und Hexan-Hexan-Anziehungspunkte in der reinen Flüssigkeit. Da beide Moleküle vom gleichen Typ sind, liegt die Δ G-Wechselwirkung nahe 0, die Δ G-Mischung dominiert und es entsteht eine Lösung.
Die Lösungsbildung hängt vom Gleichgewicht zwischen ΔG-Wechselwirkung und ΔG-Mischung ab. Eine Lösung kann sich auch dann bilden, wenn die Δ G-Wechselwirkung positiv ist, vorausgesetzt, sie ist nicht zu hoch.
Kurz gesagt, die Lösungsbildung ist günstig, wenn die ΔG-Lösung kleiner als 0 ist, während sie ungünstig ist, wenn die ΔG-Lösung größer als 0 ist.
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Q1: What is the free energy of a solution and how does it determine whether a solute dissolves?
The free energy of a solution, ΔGsolution, represents the total free energy change when a solute dissolves in a solvent. It combines the free energy of mixing, ΔGmixing, and the free energy of interaction, ΔGinteraction, between component particles. Solution formation is favorable when ΔGsolution is less than zero, allowing the solute to dissolve. When ΔGsolution is greater than zero, dissolution is unfavorable and the solute remains insoluble.
Q2: How do intermolecular interactions affect whether two substances will mix to form a solution?
Solution formation depends on the balance between ΔGinteraction and ΔGmixing. If solvent-solute interactions cannot overcome solute-solute and solvent-solvent interactions, ΔGinteraction becomes positive and large, making ΔGsolution positive and preventing dissolution. However, if ΔGinteraction is negligible, the overall ΔGsolution equals ΔGmixing, and the solute dissolves completely in the solvent.
Q3: Why do nonpolar liquids mix easily with each other?
Nonpolar liquids are miscible because there is no appreciable difference in the strengths of solute-solute, solvent-solvent, and solute-solvent intermolecular attractions. Since the intermolecular forces are similar across all interactions, ΔGinteraction is negligible. The free energy of mixing dominates, making ΔGsolution negative and allowing complete dissolution and mixing.
Q4: What role does entropy of mixing play in solution formation?
Solution formation is regulated by the entropy of mixing, ΔSmixing, which is independent of intermolecular interactions. The free energy of mixing, ΔGmixing, equals negative T times ΔSmixing. Since ΔSmixing is always favorable, ΔGmixing is always negative and drives solution formation. This entropy effect can overcome positive ΔGinteraction values, provided they are not too large.
Q5: How do polar substances with hydrogen bonding behave when mixed together?
Polar substances that form hydrogen bonds mix easily because solute particles' dipole-dipole attractions with solvent particles are as strong as attractions between molecules in pure solute or solvent. Since the intermolecular forces are comparable, ΔGinteraction is negligible, and the two kinds of molecules readily combine. The free energy of mixing dominates, making solution formation favorable.
Q6: Can two significantly different substances form a solution even if their interaction free energy is positive?
Yes, two significantly different substances can form a solution even if ΔGinteraction is positive, provided it is not too high. The always-favorable free energy of mixing, ΔGmixing, can offset a moderate positive ΔGinteraction. Solution formation depends on the overall balance between these two terms; if the combined ΔGsolution remains negative, dissolution occurs.
Q7: What happens when pentane dissolves in hexane, and why is this a favorable process?
When pentane dissolves in hexane, hexane-pentane attractions in the solution replace some pentane-pentane and hexane-hexane attractions in pure liquids. Since both molecules are similar in type, ΔGinteraction is close to zero, and ΔGmixing dominates. The overall ΔGsolution becomes negative, making the solution formation favorable and resulting in complete miscibility.