6.3.2: イオン化合物の溶解度。 塩

極性化合物は水に溶けやすく、その一般性を全イオン性化合物の中で最も極性の高い化合物に拡張することができます。 最も一般的なイオン性化合物である食卓塩、すなわち塩化ナトリウム(NaCl)は水に溶ける(360g/L)。 NaClは、NaCl分子ではなく、Na+とCl-イオンが静電相互作用によって3次元的に結合した塩の結晶であることを想起してほしい。 NaClが水に溶けるとき、結晶内の静電的な相互作用は壊れなければならない。 一方、分子化合物が水に溶けるとき、破壊されるのは別々の分子間の分子間力である。 イオン的な相互作用の破壊には、非常に大きなエネルギーが必要だと想像されるかもしれない(ダイヤモンドが水に溶けないのは、実際の共有結合を切断しなければならないからであることは、すでに見たとおりである)。 イオン結合を切断するのに必要なエネルギーだけを考えれば、それは正しい。 しかし、NaClのような物質は水に容易に溶けることが分かっていますから、明らかに他のことが起こっているのです。 そのためには、分子種の場合と同じように、NaClが溶けるときの系全体を考えることがコツです。 分子種の場合と同じように、NaClが溶けたときに、どのような相互作用が壊れ、どのような相互作用が形成されるかを考える必要があります。 これらの相互作用の変化はΔHの項(ΔG=ΔH – TΔSより)に反映されます。

NaClの結晶が水に触れると、図のように水分子は結晶表面のNa+、Cl-イオンと相互作用する。 水分子のプラス端(水素)は塩化物イオンと、水分子のマイナス端(酸素)はナトリウムイオンと相互作用しています。 このように、固体表面のイオンは溶液中の水分子と相互作用し、これらの水分子はイオンの周りに動的なクラスターを形成する。 Naの水和を示す熱運動(これは分子の運動エネルギーを反映しており、NaCl表面の+イオンは、系内の他の分子との衝突によって駆動される運動です)により、イオンとその水殻は溶液中に移動します。 イオンと水分子の間のイオン双極子相互作用は、非常に強く安定化します(- ΔH)。 溶媒分子が溶液中の溶質分子と相互作用して安定化させる過程を溶媒和といいます。

Questions to Answer

  • NaClの溶液の分子レベルの絵を描きましょう。

  • 熱力学量(ΔH、ΔS、ΔGなど)を計算し測定するとき、なぜ系と周囲を特定することが重要なのですか?

  • ある物質が水に溶けるとき、系と周囲は何ですか? なぜですか?

  • NaClと水から作られた溶液の場合、NaClが溶液中に入るとき、どんな相互作用を克服しなければならないか?

  • 溶液が形成されるときに温度が上がる場合、壊される相互作用と形成される相互作用の相対強度について、どのように結論づけることができますか?

  • 溶液の温度を測定するとき、系を測定しているのか、周囲を測定しているのか?

Questions to Ponder

  • なぜイオンの周りの水殻は安定ではないのですか?

  • 生物系の境界は何なのでしょうか?

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