용액의 형성 과정

1. 용액 형성 과정

1) 용질-용질 상호작용

용질 입자들을 결정 상태로 붙잡아 두려는 분자간 힘을 이기기 위해 에너지가 흡수됩니다(양의 $ \Delta H$). 이온성 고체의 경우, 용질-용질 상호작용을 이기기 위해 필요한 에너지의 양은 격자 에너지(lattice energy)와 관련됩니다. 격자 에너지가 더 큰 물질들은 격자 에너지가 작은 물질들보다 덜 용해되는 경향이 있고, 1가 이온을 갖는 화합물이 2가, 3가 이온을 갖는 화합물보다 더 잘 용해됩니다.

2) 용매-용매 상호작용

용매 분자들 사이에 분자간 힘을 이기기 위해서는 용매 입자들에 대해 공간을 만들어주기 위해 분자들을 분리하고 떨어뜨려야 하기 때문에 에너지가 흡수됩니다(양의 $ \Delta H$).

3) 용매-용질 상호작용

용매 분자가 용질 입자와 인력이 작용할 때 분자간 힘이 형성되기 때문에, 에너지가 방출됩니다(음의 $ \Delta H$).

[ConFer]
격자 에너지(U)는 결정 내 이온들 사이의 정전기적 상호작용의 합입니다. 이것은 이온성 고체를 개별 기체상 이온들로 분해하기 위해 공급해야 하는 에너지의 양입니다. 그 크기는 금속과 비금속의 이온화 에너지(전기 음성도)의 차이가 클수록 크고, 주기가 커질수록 작아집니다.

4) 용액 형성 과정 속 엔탈피 변화

용액 형성 과정의 전체 엔탈피 변화를 용해열(heat of solution) 또는 용해 엔탈피($ \Delta H_{Dissolution}$)라고 부르고 각 단계에 대한 엔탈피 변화들의 합입니다.

$$ \Delta H_{Dissolution}=\Delta H_{solu-solu}+\Delta H_{solv-solv}+\Delta H_{solu-solv}$$

첫 두 종류의 상호작용은 흡열 과정으로, 용매 분자들을 떼어놓거나 결정을 깨뜨리려면 에너지가 필요합니다. 세 번째 과정만이 발열 과정이며, 용매와 용질 입자 사이에 서로 당기는 분자간 힘이 작용합니다. 세 가지 상호작용의 합이 $ \Delta H_{Dissolution}$가 흡열과정인지 발열과정인지를 결정합니다.

염화 소듐이 물에 용해될 때, 고체 염화 소듐의 모서리나 가장자리에 보다 약하게 결합된 이온들이 물 분자들에 노출되고 물 분자들은 이들과 충돌하여 결국 이온이 떨어지게 됩니다. 더 많은 물 분자들이 이온 주위에 클러스터를 형성하고, 이온-쌍극자 인력에 의해 이온을 안정화시킵니다. 새로운 가장자리와 모서리가 결정에서 노출되고 결정 전체가 용해될 때까지 앞의 과정이 계속 반복됩니다. 용액 속의 이온들은 용매화(solvated)된다고 하고, 특히 물이 용매인 경우에는 수화(hydrated)된다고 합니다. 이는 이온들이 정렬된 용매 분자의 껍질에 의해 둘러싸이고 안정화 된다는 의미입니다. 이온성 물질이 물속에서 방출되는 수화에너지는 큰 양이온보다는 작은 양이온들에서 일반적으로 더 큽니다. 왜냐하면 물 분자들이 작은 이온들의 핵에 더 가까이 접근할 수 있고, 따라서 더 단단히 결합할 수 있기 때문입니다. 또한 수화 에너지는 일반적으로 이온의 전하량이 증가할수록 커집니다.