12.4: 水溶液及び水和熱

水をはじめとする極性分子は、イオンに引き寄せられます。イオンと双極子を持つ分子との間の静電引力をイオン-双極子引力と呼びます。これらの引力は、イオン性化合物の水への溶解に重要な役割を果たしています。

イオン化合物が水に溶けると、固体中のイオンが分離して溶液中に均一に分散します。これは、水分子がイオンを取り囲んで溶解し、イオン間の強い静電力が減少するためです。これが解離と呼ばれる物理的変化です。イオン性化合物は、ほとんどの場合、溶解するとほぼ完全に解離してしまうため、強電解質に分類されます。イオン性化合物は、わずかに溶けても完全に解けてしまうため、強電解質となります。

固体のKClを水に加えると、顕微鏡観察レベルではどうなるでしょうか。イオン双極子力は、極性のある水分子のプラス（水素）の端を固体表面のマイナスの塩化物イオンに引きつけ、マイナス（酸素）の端をプラスのカリウムイオンに引きつけます。水分子は個々のK⁺とCl⁻イオンを取り囲み、イオン同士を結びつける強いイオン間力を弱めて、溶解したイオンとして溶液中に移動させることができます。静電引力を克服することで、希薄な溶液中で水和イオンがそれぞれ独立して運動することが可能となり、イオンは未溶解の化合物の固定された位置から溶液中に広く分散した溶解したイオンとなります。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Chemistry 2e, Section 11.2: Electrolytes.

イオン性溶質は、クーロン力と呼ばれる引力相互作用によって一緒に保持されます。

イオン溶質が水に溶解すると、水分子間の水素結合が切断され、イオン間のクーロン力が乱されます。

このようにイオン性結晶格子をその構成イオンに分解するには、大きなエネルギー入力が必要であり、したがって、溶質のエンタルピーは吸熱プロセスです。

構成する気体イオンから1モルのイオン性固体が形成されたときに放出されるエネルギーは、格子エネルギーと呼ばれ、常に発熱性です。したがって、溶質の1モルをその成分に分解するエンタルピーは、格子エネルギーと等しく、反対です。

しかし、水溶液中でイオン格子が壊れると、各イオンは、水ダイポールの反対側に帯電した端とのイオン-ダイポール相互作用によって取り囲まれ、安定化されます。

この現象を水分補給といいます。1モルのイオンが水に溶解することに伴うエンタルピーの変化は、水和熱として知られています。これは、溶媒のエンタルピーと混合のエンタルピーの組み合わせです。

水和したイオンと水分子との間のイオン双極子相互作用は、水のみの水素結合よりもはるかに強いため、水和は常に発熱プロセスです。

溶液の全体的なエンタルピーは、溶質の吸熱エンタルピーと水和の発熱熱の合計であるため、これら2つの項の相対的な大きさに依存します。

溶質のエンタルピーが水和熱よりも小さい場合、溶液のエンタルピーは負になり、水酸化ナトリウム溶液に見られるように、溶解は発熱性になります。

溶質のエンタルピーが水和熱よりも大きい場合、塩化アンモニウム溶液のように、溶液のエンタルピーは正になり、溶解は吸熱になります。

溶質のエンタルピーが水和熱よりもはるかに大きい場合、硫酸カルシウムの場合に見られるように、溶質は水に不溶のままになります。

2つの項が等しい場合、塩化ナトリウムの場合と同様に、溶液のエンタルピーはほぼゼロになります。そのような溶質は溶液の温度を変化させません。