3.1.1 物质溶解过程的一般描述
溶解就是溶剂和溶质生成分子混合物(溶液)的过程。这一溶解过程能够进行,其自由能的变化必须是负的。由于溶解过程包含了两种物质的混合,所以溶解过程总是伴随着正的熵变。从公式ΔG=ΔH-TΔS可以看出,如果溶解过程的吸热不是太大,即ΔH正值不太大时,正的熵变过程可以产生负的自由能变化。
为了便于分析溶解过程,可以将该过程分为两个吸热过程和一个放热过程加以讨论[1]。
①溶质是固体或液体时,某一溶质分子与其相邻的溶质分子之间存在相互作用。溶解时,这些分子分割成单个分子或离子的过程,是个吸热过程。这一吸热过程所需的能量按溶质分子间力的增大而增大,其能量大小呈现出溶质为非极性物质<溶质为极性物质<溶质为可相互形成氢键的物质<溶质为离子型物质的顺序。
②溶质质点被相互分开后进入溶剂中。由于溶剂分子之间也存在相互作用,溶剂为了接纳溶质分子的进入同样需要吸收能量,破坏分子间的结合。这个过程所需的能量依溶剂分子间相互作用的增强而增大,其能量大小呈现出溶剂为非极性物质<溶剂为极性物质<溶剂为可相互形成氢键的物质的顺序。同时,当溶质分子的体积增大时,容纳溶质的空间亦增大,需要破坏更多的溶剂分子间的结合,所需的能量也增大。
③溶质分子分散进入溶剂,溶质分子与邻近的溶剂分子相互作用,这一相互作用的形成过程是放热的。释放的能量依据溶质分子与溶剂分子相互作用的增强而增大,其能量大小呈现出的顺序为:溶剂分子和溶质分子都是非极性物质<溶剂分子和溶质分子中一个是非极性物质,而另一种是极性物质<溶剂分子和溶质分子都是极性物质<溶质分子可以被溶剂分子溶剂化的。
如果第一个过程和第二个过程的所需能量较小,第三个过程释放的能量较大,那么总的焓变就可能是负值(放热)或焓变的正值不太大(吸热不是太大),此时物质的溶解过程就容易实现。反之,当溶质分子彼此的结合力很强时(第一步所需的能量较大),溶质就仅仅可能溶于与溶质相互作用较大的溶剂中;当溶剂分子之间自缔合作用很强时(例如,水为溶剂),溶剂仅仅可能溶解与其形成很强的溶质-溶剂相互作用的溶质分子。