12.2: 용액의 분자간 힘

용액의 형성은 자발적인 과정, 즉 일부 외부 소스의 에너지 없이 지정된 조건에서 발생하는 과정의 한 예입니다.

용액에 있는 용질과 용매 종 사이의 분자간 인력의 강도가 분리된 성분에 존재하는 것과 다르지 않을 때, 용액은 에너지 변화를 수반하지 않고 형성됩니다. 이러한 용액을 이상적인 용액이라고 합니다. 이상 기체(또는 이상 거동에 매우 가까운 헬륨 및 아르곤과 같은 기체)의 혼합물은 이러한 기체를 구성하는 물질이 심각한 분자간 인력을 경험하지 않기 때문에 이상적인 용액의 예입니다.

구조적으로 유사한 액체가 혼합되면 이상적인 용액이 형성될 수도 있습니다. 예를 들어, 알코올인 메탄올(CH_3OH)과 에탄올(C_2H_5OH)의 혼합물은 탄화수소인 펜탄(C_5H_12)과 헥산(C_6H_14)의 혼합물처럼 이상적인 용액을 형성합니다. 그러나 가스 혼합물과 달리 이러한 액체-액체 용액의 구성 요소는 실제로 분자간 인력을 경험합니다. 그러나 혼합되는 두 물질의 분자는 구조적으로 매우 유사하기 때문에 같은 분자와 다른 분자 사이의 분자간 인력은 본질적으로 동일하며 따라서 용해 과정에서 에너지가 눈에 띄게 증가하거나 감소하지 않습니다. 이러한 예는 증가된 물질 분산만으로도 용액의 자발적인 형성을 유발하는 데 필요한 추진력을 어떻게 제공할 수 있는지 보여줍니다. 그러나 어떤 경우에는 용질과 용매 종 사이의 분자간 인력의 상대적인 크기로 인해 용해가 방해될 수 있습니다.

물에 용해되는 이온성 화합물의 예를 생각해 보세요. 용액이 형성되려면 이온과 물 분자(용질-용매) 사이에 인력이 형성되므로 화합물(용질-용질)의 양이온과 음이온 사이의 정전기력을 완전히 극복해야 합니다. 용해된 용질을 수용하려면 비교적 작은 부분의 물 분자 사이의 수소 결합도 극복되어야 합니다. 용질의 정전기력이 용매화력보다 훨씬 더 크면 용해 과정은 상당히 흡열적이며 화합물은 감지할 수 있는 정도로 용해되지 않을 수 있습니다. 반면에, 용매화력이 화합물의 정전기력보다 훨씬 더 강하면 용해는 상당히 발열성이고 화합물은 매우 잘 용해될 수 있습니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 11.1: The Dissolution Process.

두 물질이 혼합될 때 구성 분자 사이의 힘 또는 분자 간 힘이 방해를 받습니다. 분자간 힘은 질소 분자 사이의 분산력 염산 분자 사이의 쌍극자-쌍극자 인력 암모니아 분자 사이의 수소 결합 칼륨 이온과 물 사이의 이온-쌍극자 상호작용과 같이 다양한 종류가 있을 수 있습니다. 용매에서 용질이 용해되려면 용질 입자들이 용매에서 고르게 분포되도록 용질 입자 간의 용매 상호작용이 중단되어야 합니다.

용매 입자 간의 용매-용매 상호작용은 용매 분자 사이에 용질 입자를 받아들이기 위해 중단되어야 합니다. 물질이 혼합될 수 있도록 용매와 용질 입자 간의 용매-용질 상호작용이 구성되어야 합니다. 용매에서 용질이 용해되는 정도는 이 세 가지 유형의 호상작용이 비교적으로 서로 얼마나 강한지에 따라 달라집니다.

용매-용질 상호작용이 용질-용질 및 용매-용매 상호작용을 극복할 만큼 충분히 강하면 용질은 용매에 쉽게 용해됩니다. 소금 용액을 봅시다. 소금 속의 나트륨 이온과 염화 이온은 혼합 전에는 이온 결합에 의해 결정체 안에 고정됩니다.

물에서는 분자들이 수소 결합을 통해 서로 상호작용합니다. 염화나트륨을 물에 첨가하면 물 분자는 쌍극자의 양끝이 음의 염화 이온을 향하고 쌍극자의 음끝은 양전하를 띤 나트륨 이온을 향하도록 스스로 배열됩니다. 이러한 이온-쌍극자 인력은 나트륨과 염화물 이온 사이의 이온 결합을 약화시켜 이온들이 분리되고 결정 구조가 파괴됩니다.

분리된 이온들을 물 분자들이 둘러싸고 있습니다. 이러한 상호작용을 총칭하여 수화라고 합니다. 수화 이온은 또한 물 분자 사이의 수소 결합을 부분적으로 극복합니다.

이것을 소금이 물에 녹는다고 합니다.