2013年11月6日 星期三

生成溶液的熱力學 The Thermodynamics of Solution Formation

化學原理啟迪422
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1.     溶解度是非常複雜的現象,特別是當溶劑是水。探索溶解度的基本原則,對我們瞭解化學反應十分有用,因為溶解度會影響反應的結果。
2.     為簡化問題,我們將假設物質溶解於溶劑生成溶液的過程,可分為三個步驟:
步驟一:將溶液打碎成組成物質,這是散開溶質
步驟二:破壞溶劑分子間的力量,挪出空間給溶質,這是散開溶劑
步驟三:溶質和溶劑交互作用、互相吸引形成溶液。
3.     步驟一和步驟二需要能量,因為要鬆開溶質和鬆開溶劑組成物質,需要耗費能量。步驟三釋放能量。換句話說,步驟一和步驟二是吸熱的,而步驟三是散熱的
4.     整個反應的熱含量與生成溶液有關,稱為溶液的焓變化enthalpy(heat) of solution(ΔHsoln)。我們可將溶液生成的焓變化ΔH,分解成數個步驟的焓變化總和:
ΔHsolnΔH1ΔH2ΔH3
溶液的焓變化ΔHsoln可能是正數(吸收能量),也可能是負數(釋放能量)。
5.     我們將舉「氯化鈉/鹽」在水中的溶解為例,說明溶液焓變化ΔHsoln方程式各能量項式的重要性。
6.     打散「氯化鈉/鹽」的焓變化ΔH1是數值大的正數,必須破壞組成晶體的離子之間的強勁引力。
7.     打散溶劑分子的焓變化ΔH2也是數值大的正數,因為必須破壞水分子彼此的氫鍵。最後,從氯化鈉而來的離子,和水分子融合的焓變化ΔH3,是數值大的負數,因為離子與水之間的引力強大。
8.     事實上,我們在寫氯化鈉溶解方程式時,不是用散熱和吸熱的項式,寫法如下:
NaCl(s)→Na(g)Cl(g)  ΔH1°786 kJ/mol
H2O(l)Na+(g)Cl(g)→Na+(g)Cl(g)  ΔH°hydΔH°2ΔH°3=-783kJ/mol
9.     第二步驟反應結合溶劑散開的焓變化ΔH2,和溶劑溶質互相吸引的焓變化ΔH3,稱為水合焓變化enthalpy of hydrationΔH°hyd
10. 水合焓變化方程式,包含氣體溶質在水中分散的能量。(NaCl固體分解成離子氣體,進入液態水後,在水中分散)
11. 因此,溶液溶解「氯化鈉」的標準焓變化ΔH°soln,是溶質打散的焓變化ΔH1°,和水合焓變化ΔH°hyd,加總的結果:
ΔH°soln786kJ/mol783kJ/mol3kJ/mol
12. 特別留意,生成氯化鈉溶液的焓變化ΔH°soln,數值很小,是正數。如果說,水溶解氯化鈉的程序需要少量的能量,那麼,為什麼氯化鈉這麼容易在水中溶解?答案與溶解過程的亂度變化有關。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles ;圖片來源/Sparknotes.com

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