12.2: Siły międzycząsteczkowe w roztworach

Tworzenie się roztworu jest przykładem procesu spontanicznego, zachodzącego w określonych warunkach bez energii z zewnętrznego źródła.

Gdy siły międzycząsteczkowego przyciągania sił pomiędzy substancjami rozpuszczonymi i rozpuszczalnikami w roztworze nie różnią się od sił występujących w oddzielnych składnikach, roztwór powstaje bez towarzyszącej zmiany energii. Rozwiązanie takie nazywa się rozwiązaniem idealnym. Mieszanina gazów doskonałych (lub gazów takich jak hel i argon, które zachowują się bardzo blisko ideału) jest przykładem idealnego rozwiązania, ponieważ jednostki składające się na te gazy nie doświadczają znaczących przyciągań międzycząsteczkowych.

Idealne rozwiązania mogą również powstać, gdy zmieszane zostaną ciecze o podobnej strukturze. Na przykład mieszaniny alkoholi, metanolu (CH3OH) i etanolu (C2H5OH) tworzą idealne roztwory, podobnie jak mieszaniny węglowodorów pentanu C5H12 i heksanu C6H14. W przeciwieństwie do mieszaniny gazów składniki tych roztworów ciecz-ciecz rzeczywiście podlegają międzycząsteczkowym siłom przyciągania. Ponieważ jednak cząsteczki dwóch mieszanych substancji są strukturalnie bardzo podobne, przyciągające siły międzycząsteczkowe między podobnymi i różnymi cząsteczkami są zasadniczo takie same, a zatem proces rozpuszczania nie pociąga za sobą żadnego zauważalnego wzrostu ani spadku energii. Przykłady te ilustrują, jak samo zwiększone rozproszenie materii może zapewnić siłę napędową wymaganą do spowodowania spontanicznego tworzenia się roztworu. Jednakże w niektórych przypadkach względne wielkości międzycząsteczkowych sił przyciągania pomiędzy substancjami rozpuszczonymi i rozpuszczalnikami mogą uniemożliwić rozpuszczenie.

Rozważmy przykład związku jonowego rozpuszczającego się w wodzie. Tworzenie roztworu wymaga całkowitego pokonania sił elektrostatycznych pomiędzy kationami i anionami związku (substancja rozpuszczona – substancja rozpuszczona) w miarę powstawania sił przyciągania pomiędzy tymi jonami i cząsteczkami wody (substancja rozpuszczona-rozpuszczalnik). Należy również przezwyciężyć wiązania wodorowe pomiędzy stosunkowo małą frakcją cząsteczek wody, aby pomieścić jakąkolwiek rozpuszczoną substancję. Jeżeli siły elektrostatyczne substancji rozpuszczonej są znacznie większe niż siły solwatacji, proces rozpuszczania jest znacząco endotermiczny i związek może nie rozpuścić się w zauważalnym stopniu. Z drugiej strony, jeśli siły solwatacji są znacznie większe niż siły elektrostatyczne związku, rozpuszczanie jest egzotermiczne i związek może być wysoce rozpuszczalny.

Kiedy dwie substancje mieszają się, siły między cząsteczkami składowymi lub siły międzycząsteczkowe są zakłócone.

Siły międzycząsteczkowe mogą być różnego rodzaju, takie jak siły dyspersji między cząsteczkami azotu, przyciąganie dipol-dipol między cząsteczkami kwasu solnego, wiązania wodorowe między cząsteczkami amoniaku oraz oddziaływanie jonowo-dipolowe między jonami potasu a wodą.

Aby substancja rozpuszczona mogła rozpuścić się w rozpuszczalniku, oddziaływania substancja rozpuszczona-substancja rozpuszczona między cząstkami substancji rozpuszczonej musi zostać zakłócona, tak aby cząstki substancji rozpuszczonej były równomiernie rozprowadzane w rozpuszczalniku.

Oddziaływania rozpuszczalnik-rozpuszczalnik między cząstkami rozpuszczalnika muszą zostać przerwane, aby pomieścić cząstki substancji rozpuszczonej między cząsteczkami rozpuszczalnika.

Oddziaływania rozpuszczalnik-substancja rozpuszczona między rozpuszczalnikiem a cząstkami substancji rozpuszczonej muszą zostać ustalone, aby substancje mogły się mieszać.

Stopień, w jakim substancja rozpuszczona może rozpuścić się w rozpuszczalniku, zależy od tego, jak silne są te trzy rodzaje oddziaływań w porównaniu ze sobą.

Jeśli oddziaływania rozpuszczalnik-substancja rozpuszczona są wystarczająco silne, aby przezwyciężyć interakcje substancja rozpuszczona-substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik-rozpuszczalnik, wówczas substancja rozpuszczona łatwo rozpuści się w rozpuszczalniku.

Rozważ roztwór soli. Przed zmieszaniem jony sodu i chlorku w soli są utrzymywane razem w krysztale za pomocą wiązania jonowego. W przypadku wody cząsteczki oddziałują ze sobą poprzez wiązania wodorowe.

Po dodaniu chlorku sodu do wody cząsteczki wody układają się w taki sposób, że dodatni koniec dipola jest skierowany w stronę ujemnych jonów chlorkowych, a ujemny koniec dipola jest skierowany w stronę dodatnio naładowanych jonów sodu.

Te przyciąganie jonowo-dipolowe osłabia wiązania jonowe między jonami sodu i chlorku, tak że jony rozdzielają się, a struktura krystaliczna ulega rozpadowi.

Oddzielone jony są otoczone cząsteczkami wody. Takie interakcje nazywane są zbiorczo nawodnieniem.

Uwodnione jony pokonują również część wiązań wodorowych między cząsteczkami wody. Teraz mówi się, że sól rozpuszcza się w wodzie.