2.6
Химическое равновесие и растворимость
Изменение свободной энергии, связанное с растворением растворенного вещества в литре растворителя, называется свободной энергией раствора ΔGраствора.…
Напомним, что образование раствора регулируется энтропией смешивания, ΔSсмешивания. Связанная с этим свободная энергия смешивания, ΔGсмешивания, выражается подстановкой ΔSв уравнение свободной энергии Гиббса.
Поскольку смешивание ΔS не зависит от межмолекулярных взаимодействий, изменения энергии, связанные с этими взаимодействиями, игнорируются, и значение смешивания ΔH в уравнении равно 0. Таким образом, смешивание Δ G равно отрицательному T умноженному на ΔSсмешиванию.
Изменение свободной энергии, связанное с растворением растворенного вещества в литре растворителя, называется свободной энергией раствора, ΔG-раствора. Математически она выражается как сумма свободной энергии смешивания, ΔG-смешивания, и свободной энергии взаимодействия, ΔG-взаимодействия, между составляющими его частицами.
Если взаимодействия растворитель-растворенное вещество не могут преодолеть взаимодействия растворенное вещество и растворитель-растворитель, то взаимодействие ΔG больше 0.
Если взаимодействие ΔG достаточно велико, то решение ΔG больше нуля. По мере увеличения количества раствораΔG количество растворенного вещества, растворяемого в растворителе, уменьшается.
Напротив, если взаимодействие ΔG пренебрежимо мало, то общий раствор ΔG равенсмешиванию ΔG, и растворенное вещество полностью растворяется в растворителе.
Рассмотрите возможность растворения пентана в гексане. Гексан-пентановые притяжения в растворе заменяют некоторые пентан-пентановые и гексан-гексановые притяжения в чистой жидкости. Поскольку обе молекулы относятся к одному типу, взаимодействие ΔG близко к 0, преобладает смешивание ΔG, и образуется раствор.
Образование раствора зависит от баланса между взаимодействием ΔG и смешиванием ΔG. Раствор может образоваться, даже если взаимодействие ΔG положительное, при условии, что оно не слишком высокое.
Короче говоря, образование раствора благоприятно, если раствор ΔG меньше 0, тогда как неблагоприятно, если раствор ΔG больше 0.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
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.