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12.2:

溶液中の分子間力

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Chemistry
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Intermolecular Forces in Solutions

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When two substances mix, the forces between the constituent molecules, or intermolecular forces, are disrupted. Intermolecular forces can be of different types, such as dispersion forces between nitrogen molecules, dipole-dipole attractions between hydrochloric acid molecules, hydrogen bonding between ammonia molecules, and ion-dipole interaction between potassium ions and water. For a solute to dissolve in a solvent, solute–solute interactions between solute particles must be disrupted so that solute particles are distributed evenly through the solvent. Solvent–solvent interactions between solvent particles must be disrupted to accommodate the solute particles between the solvent molecules. Solvent–solute interactions between solvent and solute particles must be established so that the substances can mix. The extent to which a solute can dissolve in a solvent depends on how strong these three types of interactions are compared to each other. If the solvent-solute interactions are strong enough to overcome the solute–solute and solvent–solvent interactions, then the solute will readily dissolve in the solvent. Consider a salt solution. Before mixing, sodium and chloride ions in the salt are held together in a crystal by ionic bonding. For water, the molecules interact with each other through hydrogen bonds. When sodium chloride is added to water, the water molecules arrange themselves in such a way that the positive end of the dipole faces the negative chloride ions, and the negative end of the dipole faces the positively charged sodium ions. These ion-dipole attractions weaken the ionic bonds between the sodium and chloride ions so that the ions separate and the crystal structure breaks down. The separated ions are encircled by water molecules. Such interactions are collectively called hydration. The hydrated ions also overcome some of the hydrogen bonding between the water molecules. Now, the salt is said to be dissolved in water.

12.2:

溶液中の分子間力

溶液の生成は自発的なプロセスの一例であり、特定の条件下で、外部からのエネルギーなしに発生します。

溶液中の溶質と溶媒の分子間引力の強さが、分離した成分に存在する力と変わらない場合、エネルギーの変化を伴わずに溶液が形成されます。このような溶液を「理想溶液」と呼びます。理想気体の混合物(ヘリウムやアルゴンなど、理想的な挙動に近い気体)は、理想溶液の一例であり、これらの気体を構成する物質には大きな分子間引力がないからです。

構造の似ている液体を混ぜ合わせても理想的な溶液ができることがあります。例えば、アルコールのメタノール(CH3OH)とエタノール(C2H5OH)の混合物や、炭化水素のペンタン(C5H12)とヘキサン(C6H14)の混合物は理想溶液を形成します。しかし、これらの液液の構成要素には、気体の混合物とは異なり、分子間引力が働いています。しかし、混合される2つの物質の分子は構造的に非常によく似ているので、似た分子と似ていない分子の間に働く引力は基本的に同じであり、溶解の過程でエネルギーの増減はほとんどません。これらの例は、物質の分散を高めるだけで、溶液の自発的な形成に必要な駆動力が得られることを示しています。しかし、場合によっては、溶質種と溶媒種の間の分子間引力の相対的な大きさが、溶解を妨げることがあります。

イオン性化合物が水に溶ける例を考えてみよう。溶液を形成するには、化合物(溶質)の陽イオンと陰イオンの間の静電力を完全に克服し、これらのイオンと水分子(溶質-溶媒)の間に引力が働く必要があります。溶解した溶質を収容するためには、比較的少数の水分子の間の水素結合も克服しなければなりません。溶質の静電力が溶媒和力よりも著しく大きい場合、溶解プロセスは著しく吸熱し、化合物はそれほど大きく溶解しない可能性があります。一方、溶媒和力が化合物の静電気力よりもはるかに強い場合、溶解は著しく発熱し、その化合物は非常に溶解しやすいと考えられます。

上記の文章は以下から引用しました。Openstax, Chemistry 2e, Section 11.1: The Dissolution Process.