2.6
שיווי משקל כימי ומכפלת מסיסות
נזכיר כי היווצרות תמיסה מווסתת על ידי אנטרופיה של ערבוב, ערבוב Δ S. האנרגיה החופשית המשויכת לערבוב, ערבוב ΔG, מבוטאת על ידי החלפת ערבוב ΔS במשוואת האנרגיה החופשית של גיבס.
מכיוון שערבוב ΔS אינו תלוי באינטראקציות בין-מולקולריות, שינויי האנרגיה הקשורים לאינטראקציות אלה מוזנחים, והערך של ערבוב ΔH במשוואה הוא 0. לפיכך, ערבוב ΔG שווה לערבוב T שלילי כפול ΔS.
שינוי האנרגיה החופשית הקשור להמסת מומס בליטר ממס נקרא האנרגיה החופשית של תמיסה, תמיסת ΔG. מבחינה מתמטית, הוא מבוטא כסכום האנרגיה החופשית של ערבוב, ערבוב ΔG, והאנרגיה החופשית של אינטראקציה, אינטראקציה ΔG, בין החלקיקים המרכיבים.
אם יחסי הממס-מומס אינם יכולים להתגבר על אינטראקציות המומס-מומס והממס-ממס, האינטראקציה ΔG גדולה מ-0.
אם אינטראקציית Δ G גדולה מספיק, פתרון ΔG גדול מאפס. ככל שתמיסת ΔG גדלה, כמות המומס שמתמוססת בממס פוחתת.
לעומת זאת, אם אינטראקציית ΔG זניחה, תמיסת ΔG הכוללת שווה לערבוב ΔG, והמומס מתמוסס לחלוטין בממס.
שקול להמיס פנטאן בהקסאן. אטרקציות הקסאן-פנטאן בתמיסה מחליפות חלק מהאטרקציות פנטאן-פנטאן והקסאן-הקסאן בנוזל הטהור. מכיוון ששתי המולקולות הן מאותו סוג, אינטראקציית Δ G קרובה ל-0, ערבוב ΔG שולט, ונוצרת תמיסה.
היווצרות התמיסה תלויה באיזון בין אינטראקציית ΔGוערבוב ΔG. פתרון יכול להיווצר גם אם אינטראקציה ΔG היא חיובית, בתנאי שהיא לא גבוהה מדי.
בקיצור, היווצרות תמיסה היא חיובית אם פתרון ΔG קטן מ-0, ואילו הוא שלילי אם פתרון ΔG גדול מ-0.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.