12.3: 용액 엔탈피

솔루션의 자발적인 형성을 선호하지만 보장하지는 않는 두 가지 기준이 있습니다.

1. 시스템의 내부 에너지 감소(열화학에 관한 이전 장에서 논의한 발열 변화)
2. 시스템 내 물질 분산 증가(열역학에 대한 이후 장에서 배우게 되겠지만 이는 시스템 엔트로피의 증가를 나타냄)

용해 과정에서 항상 그런 것은 아니지만 열이 흡수되거나 방출되면서 내부 에너지 변화가 자주 발생합니다. 물질 분산의 증가는 용매 전체에 용질 분자가 균일하게 분포되어 용액이 형성될 때 항상 발생합니다.

발열 용해 공정에 의해 자발적인 용액 형성이 선호되지만 보장되지는 않습니다. 실제로 많은 가용성 화합물은 열 방출로 용해되지만 일부는 흡열적으로 용해됩니다. 질산암모늄(NH_4NO_3)은 그러한 예 중 하나이며 부상 치료를 위한 즉각적인 냉찜질 팩을 만드는 데 사용됩니다. 벽이 얇은 비닐 봉지가 고체 NH_4NO_3로 가득 찬 더 큰 봉지 안에 밀봉되어 있습니다. 작은 봉지가 깨지면 NH_4NO_3 용액이 형성되어 주변(팩을 댄 부상 부위)의 열을 흡수하고 냉찜질을 하여 부기를 감소시킵니다. 이와 같은 흡열 용해는 용질이 용매화될 때 회수되는 것보다 용질 종을 분리하기 위해 더 큰 에너지 입력을 필요로 하지만 그럼에도 불구하고 용액 형성에 수반되는 무질서의 증가로 인해 이는 자발적입니다.

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

용질이 용액에 용해되는 과정은 발열 또는 내열 과정입니다. 수산화나트륨이 물에 용해되면 열이 용액에서 주변의 물로 전달되어 물의 온도가 증가합니다. 이것을 발열 과정이라고 합니다.

염화암모늄을 물에 용해하는 것과 같은 발열 과정에서는 열이 용액에 흡수되어 물의 온도가 감소합니다. 일정한 압력에서 방출되거나 흡수되는 열을 엔탈피 변화라고 합니다. 솔루션 형성은 세 단계로 구성되며 각 단계는 해당하는 엔탈피 변화와 관련됩니다.

1 단계는 고체 입자의 분리입니다. 이 때 용질 입자 사이의 인력을 극복하기 위한 에너지가 요구됩니다. 2 단계는 용매 입자의 분리입니다.

이 단계에서는 용매 입자 사이의 인력을 차단하기 위해 에너지가 필요하기 때문에 내열적인 단계이기도 합니다. 3단계는 용제와 용매 입자가 혼합될 때 발생합니다. 이 단계는 고체 입자와 용매 입자 사이의 인력 상호작용에서 에너지를 방출하기 때문에 발열 단계입니다.

헤스의 법칙에 따르면 단계적 과정에서 순 엔탈피 변화는 각 단계의 엔탈피 변화의 합입니다. 순 엔탈피의 부호는 성분의 엔탈피의 크기에 따라 달라집니다. 성분들의 엔탈피의 합이 혼합물의 엔탈피보다 작으면 순 엔탈피 변화는 음수이며 분해 과정은 발열 과정으로 됩니다.

성분 엔탈피들의 합이 혼합물의 엔탈피보다 크면 엔탈피 변화는 양수이며 분해 과정은 흡열 과정입니다. 두 값이 동일하면 열이 방출되지도 흡수되지도 않습니다. 용액의 형성은 화학 반응과는 다릅니다.

용질이 용매에 용해되는 변화는 물리적인 변화입니다. 용액을 증발시키면 용질을 다시 얻을 수 있습니다. 반대로 화학반응은 반응물의 특성을 변화시킵니다.

수산화 구리가 염산에 용해되는 경우 용액을 증발시켜도 수산화 구리가 얻어지지 않습니다. 대신, 생성물인 염화 구리를 얻게 됩니다.