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1리터의 용매에 용질이 용해되는 것과 관련된 자유 에너지 변화를 용액의 자유 에너지, ΔG_용액이라고 합니다. 전체 ΔG_용액은 항상 유리한 혼합 자유 에너지인 ΔG_혼합에 대한 ΔG_상호작용의 균형으로 표현됩니다. ΔG_용액이 0보다 작으면 솔루션 형성이 유리한 반면…
상기 용액 형성은 혼합의 엔트로피에 의해 조절되는 것을 기억, ΔS혼합. 혼합의 관련 자유 에너지, ΔG혼합,깁스 자유 에너지 방정식에서 ΔS혼합을 대체하여 표현된다.
ΔS혼합은 분자 간 상호 작용과 독립적이므로 이러한 상호 작용과 관련된 에너지 변화는 무시되고 방정식에서 ΔH혼합값은 0입니다. 따라서, ΔG혼합은 음의 T 배 ΔS혼합과 동일하다.
용매 의 리터에서 용액을 용해와 관련된 자유 에너지 변화는 용액, ΔG용액의자유 에너지라고합니다. 수학적으로, 성분 입자 간의 혼합, ΔG혼합및 상호작용의 자유 에너지, ΔG상호작용의자유 에너지의 합으로 표현된다.
용매-솔루트 상호 작용이 솔트-솔루트 및 용매-용매 상호 작용을 극복할 수 없는 경우 ΔG상호 작용은 0보다 큽습니다.
ΔG상호 작용이 충분히 크면 ΔG솔루션이 0보다 큽니다. ΔG용액이 증가함에 따라 용매에 용해되는 솔루트의 양이 감소합니다.
반면, ΔG상호작용이 무시할 경우 전체 ΔG용액은 ΔG혼합과같으며 솔루트는 용매에 완전히 용해됩니다.
육산에 펜탄을 용해하는 것을 고려하십시오. 용액의 헥산 펜탄 어트랙션은 순수한 액체의 펜탄 펜타네와 헥산 헥산 명소를 대체합니다. 두 분자 모두 동일한 유형이기 때문에 ΔG상호 작용은 0에 가깝고 ΔG혼합이 우세하며 용액이 형성됩니다.
솔루션 형성은 ΔG상호작용과 ΔG혼합사이의 균형에 따라 달라집니다. ΔG상호 작용이 너무 높지 않은 경우에도 솔루션을 형성할 수 있습니다.
요컨대, ΔG용액이 0 미만인 경우 솔루션 형성이 유리하지만 ΔG용액이 0보다 크면 불리하다.
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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.