Rozpuszczalność

rozpuszczalność

Rozpuszczalność opisuje, ile substancji rozpuszczonej może rozpuścić się w danej objętości określonego rozpuszczalnika. Rozpuszczalność jest zwykle podawana w postaci masy substancji rozpuszczonej na objętość rozpuszczalnika lub masy substancji rozpuszczonej na masę rozpuszczalnika. Na przykład rozpuszczalność chlorku sodu w wodzie o temperaturze pokojowej wynosi 36 g na 100 ml wody. Jeżeli rozpuszczalność jest podawana w masie substancji rozpuszczonej na masę rozpuszczalnika, masa rozpuszczalnika będzie musiała zostać przeliczona na objętość w celu dalszych obliczeń.

Rozpuszczalność zmienia się wraz z temperaturą. Na przykład rozpuszczalność węglanu sodu w wodzie wynosi 7 g na 100 ml w temperaturze około 0 °C, 22 g na 100 ml w temperaturze pokojowej i 44 g na 100 ml w temperaturze 100 °C. Rozpuszczalność ma tendencję do zwiększania się wraz z temperaturą, chociaż są wyjątki.

Roztwór z maksymalną ilością rozpuszczonej w nim substancji rozpuszczonej nazywany jest roztworem nasyconym. W tym momencie dalsze dodawanie substancji rozpuszczonej pozostanie nierozpuszczone i pozostanie osadem w roztworze. Na przykład roztwór 36 g chlorku sodu rozpuszczony w 100 ml wody o temperaturze pokojowej jest nasyconym roztworem chlorku sodu.

Rozpuszczalność substancji rozpuszczonej różni się w zależności od rozpuszczalnika. Na przykład chlorek sodu ma rozpuszczalność 36 g na 100 ml w wodzie o temperaturze pokojowej, ale jego rozpuszczalność w metanolu wynosi tylko 1,1 g na 100 ml, a jego rozpuszczalność w dimetyloformamidzie jest jeszcze niższa i wynosi 0,034 g na 100 ml.

Jednym ze sposobów przewidywania, jak rozpuszczalna będzie substancja rozpuszczona w rozpuszczalniku, jest przestrzeganie zasady "podobne rozpuszcza się podobnie". Polarne substancje rozpuszczone lub rozpuszczone z wiązaniami jonowymi lub dużymi wewnątrzcząsteczkowymi różnicami elektroujemności są zwykle lepiej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych i mniej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych. Niepolarne substancje rozpuszczone są zwykle lepiej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych i mniej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych.

Równowaga rozpuszczalności

Kiedy substancja rozpuszczona rozpuszcza się, cząsteczki rozpuszczalnika tworzą słabe oddziaływania z cząsteczkami substancji rozpuszczonej poprzez siły międzycząsteczkowe, jednocześnie oddziałując ze sobą za pośrednictwem sił wewnątrzcząsteczkowych. Proces rozpuszczania i utrzymywania substancji rozpuszczonej w roztworze jest znany jako solwatacja. Rozpuszczanie przebiega w różny sposób w zależności od rozpuszczonej cząsteczki. Sole jonowe, mocne kwasy i mocne zasady ulegną dysocjacji na jony składowe. Kompleksy metali przejściowych zazwyczaj wymieniają część swoich ligandów na cząsteczki rozpuszczalnika. Inne cząsteczki mogą być po prostu solwatowane w takiej postaci, w jakiej są.

Każdy odwracalny proces rozpuszczania można zapisać jako równanie chemiczne i ma stałą równowagi. Na przykład rozpuszczenie chlorku sodu w wodzie byłoby napisane:

NaCl_(s) ⇌ Na⁺_(aq) + Cl^-_(aq)

Gdy roztwór nie jest jeszcze nasycony, zwykle faworyzuje się rozpuszczanie. Gdy roztwór jest nasycony, znajduje się w równowadze dynamicznej. Na każdą dodatkową cząsteczkę chlorku sodu, która się rozpuszcza, cząsteczka chlorku sodu wytrąca się z roztworu, więc nie ma ogólnej zmiany w systemie.

Dla reakcji ogólnej aA + bB ⇌ cC + dD, uproszczona stała równowagi jest zapisywana jako:

Obliczając stałą równowagi dla procesu rozpuszczania, stężenia dowolnych ciał stałych można ustawić na 1. Tak więc istnieje prostsza wersja równania, która jest przeznaczona dla związków, które dysocjują po rozpuszczeniu, takich jak sole jonowe:

A_xB_y(s) ⇌ xA⁺_(aq) + yB^-_(aq)

K_sp = [A]^x[B]^y

K_sp nazywany jest produktem rozpuszczalności i może być stosowany zawsze, gdy wymagana jest stała równowagi.

termodynamika

Jedną z podstawowych zasad termodynamiki jest to, że systemy poruszają się w kierunku stanów o niższej energii, bardziej nieuporządkowanych, gdy tylko jest to możliwe. Jest to jedna z sił napędowych reakcji chemicznych. Jednak może być trudno przewidzieć, co zapewnia najlepszą równowagę energii i nieporządku na podstawie samego równania chemicznego.

Na przykład występują zarówno wzrosty, jak i spadki nieporządku, gdy substancja rozpuszczona jest rozpuszczona. Zmiana z uporządkowanego ciała stałego na solwatowane cząsteczki poruszające się w roztworze zwiększa nieporządek substancji rozpuszczonej, szczególnie jeśli cząsteczki dysocjują również na jony składowe. Jednak cząsteczki rozpuszczalnika muszą zebrać się w uporządkowaną "klatkę" wokół każdej cząsteczki lub zdysocjowanego jonu, aby ją solwatować.

Stała równowagi reakcji jest związana z ilością energii w układzie dostępnej do wykonania pracy odwracalnej, która jest nazywana energią swobodną Gibbsa lub energią Gibbsa i jest w skrócie G. Zmiana energii Gibbsa przed i po reakcji lub procesie jest zapisywana jako ΔG i można ją obliczyć na podstawie stałej równowagi dla tej reakcji za pomocą tego równania:

ΔG = –RT ln(K)

gdzie R jest stałą gazu doskonałego, T jest temperaturą w kelwinach, a K jest stałą równowagi.

Jeśli ΔG jest dodatnie, układ ma wyższą energię Gibbsa na końcu reakcji niż na początku reakcji. Zwykle oznacza to, że system musi pochłonąć energię, aby przeprowadzić reakcję. Jeśli ΔG jest ujemne, układ ma niższą energię Gibbsa na końcu reakcji. Oznacza to, że system miał już wystarczająco dużo energii, aby przeprowadzić reakcję. Reakcje z ujemnym ΔG nazywane są reakcjami spontanicznymi.

Energia Gibbsa jest powiązana z dwoma innymi użytecznymi parametrami termodynamicznymi, entropią (S) i entalpią (H), za pomocą tego równania:

ΔG = ΔH – TΔS

Entropia reprezentuje nieporządek lub losowość systemu. Zakładamy, że nasze reakcje zachodzą w układzie izolowanym, więc podczas reakcji nie może dojść do spadku entropii netto. Ostateczna wielkość entropii musi być równa lub większa niż wielkość początkowa – to znaczy, że całkowita zmiana entropii (ΔS) musi być zerowa lub dodatnia. Gdy układ jest w równowadze, nie ma zmiany netto entropii.

Entalpia reprezentuje energię wewnętrzną systemu plus wszelkie prace spowodowane zmianami ciśnienia lub objętości w układzie. Ponieważ każda zmiana ciśnienia lub objętości podczas procesu rozpuszczania będzie nieistotna, możemy traktować zmianę entalpii jako ilość energii przenoszonej do lub z układu podczas reakcji, zwykle jako ciepło.

Jeśli zmiana entalpii (ΔH) jest dodatnia, układ ma więcej energii wewnętrznej na końcu reakcji niż na początku, a zatem pochłonął energię podczas reakcji. Jest to zwykle obserwowane, gdy układ staje się chłodniejszy podczas reakcji, dlatego nazywamy te reakcje endotermicznymi. Jeśli zmiana entalpii jest ujemna, układ ma mniej energii wewnętrznej pod koniec reakcji. W związku z tym system musiał uwolnić energię podczas reakcji, zwykle w postaci ciepła. Reakcje te nazywane są egzotermicznymi.

Odwołania

1. Harris, D.C. (2015). Ilościowa analiza chemiczna. Nowy Jork, NY: W.H. Freeman and Company.