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Equilíbrio químico e de solubilidade
A mudança de energia livre associada à dissolução de um soluto em um litro de solvente é chamada de energia livre de uma solução, ΔGsolução. A ΔGsoluç…
Lembre-se de que a formação da solução é regulada pela entropia da mistura, mistura ΔS. A energia livre associada da mistura, mistura ΔG, é expressa substituindo a mistura ΔS na equação de energia livre de Gibbs.
Como a mistura de ΔS é independente das interações intermoleculares, as mudanças de energia associadas a essas interações são negligenciadas e o valor da mistura de ΔH na equação é 0. Assim, a mistura de ΔG é igual a T negativo vezes a mistura de ΔS.
A mudança de energia livre associada à dissolução de um soluto em um litro de solvente é chamada de energia livre de uma solução, solução ΔG. Matematicamente, é expresso como a soma da energia livre de mistura, mistura ΔG, e a energia livre de interação, interação ΔG, entre as partículas componentes.
Se as interações solvente-soluto não puderem superar as interações soluto-soluto e solvente-solvente, a interação ΔG é maior que 0.
Se a interação ΔG for grande o suficiente, a solução ΔG é maior que zero. À medida que a solução de ΔG aumenta, a quantidade de soluto que se dissolve em um solvente diminui.
Em contraste, se a interação ΔG for insignificante, a solução geral de ΔG é igual à mistura de ΔG e o soluto se dissolve completamente no solvente.
Considere dissolver o pentano em hexano. As atrações hexano-pentano na solução substituem algumas das atrações pentano-pentano e hexano-hexano no líquido puro. Como ambas as moléculas são do mesmo tipo, a interação ΔG é próxima de 0, a mistura ΔG domina e uma solução é formada.
A formação da solução depende do equilíbrio entre a interação ΔG e a mistura ΔG. Uma solução pode se formar mesmo que a interação ΔG seja positiva, desde que não seja muito alta.
Em suma, a formação da solução é favorável se a solução ΔG for menor que 0, enquanto é desfavorável se a solução ΔG for maior que 0.
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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.