용해도 예측

1. 용해도 예측

1) 깁스 자유 에너지 변화

다른 모든 화학적 및 물리적 과정과 마찬가지로 용질이 용매에 용해되는 과정은 깁스 자유 에너지 변화(Gibbs free-energy change) $ \Delta G=\Delta H-T\Delta S$와 관련이 있고, 이 값으로부터 자발성 여부를 판단할 수 있습니다. 만약 $ \Delta G$값이 음수이면 용해 과정은 자발적이고 용질이 녹으며, $ \Delta G$값이 양수이면 용해 과정은 비자발적이고 용질은 녹지 않습니다. 엔탈피 항 $ \Delta H$는 용해 과정 동안 계의 내부 또는 외부로의 열 흐름을 나타내면, 온도 의존성인 엔트로피 항 $ T\Delta S$는 계의 내부에서 분자 무질서 정도를 나타냅니다.

엔탈피 변화는 용액이 형성될 때, 방출 또는 흡수되는 열로 정의하고, 용해 엔트로피(entropy of solution, $ \Delta S_{Dissolution}$)는 용질이 용매에 용해될 때 발생하는 엔트로피 변화입니다.

용해 과정에서 분자의 무질서도가 증가하기 때문에 용액의 엔트로피는 일반적으로 양의 값입니다. 고체가 액체에 녹을 때 무질서도는 증가합니다. 그 이유는 규칙적으로 배열된 결정에서 용매화된 이온이나 분자들이 용액 중에서 자유롭게 이동할 수 있는 덜 규칙적인 배열 상태로 변하기 때문입니다. 한 액체가 다른 액체에 녹을 때, 서로 다른 분자들이 뒤섞이면서 무질서도는 증가합니다. 따라서 대부분의 고체 액체는 용해할 때 엔트로피가 증가합니다($ \Delta S_{Dissolution}$는 양의 값).

2) 용해 엔탈피

용해 엔탈피 $ \Delta H_{Dissolution}$는 용액 형성 과정의 자유 에너지 변화가 음의 값이라면, 이 과정은 자발적으로 일어날 것입니다. 이 방식 외에도 “끼리끼리 녹는다(Like dissolves like).”의 말을 활용해 쉽게 용해도를 계산할 수 있습니다. 용질 입자들, 용매 분자들, 용매와 용질 입자들 사이의 분자간 힘의 형태가 종류와 크기에서 유사할 때 용액이 형성됩니다. 따라서 $ NaCl$과 같은 이온성 고체는 물과 같은 극성 용매에 잘 용해됩니다. 그 이유는 $ Na^{+}$ 및$ Cl^{-}$ 이온과 극성 물 분자 사이에 작용하는 강한 이온-쌍극자 인력이 물 분자 사이의 강한 수소 결합 인력 및 $ Na^{+}$과$ Cl^{-}$ 이온 사이에 작용하는 강한 이온-이온 인력과 비슷하기 때문입니다. 이와 같이 콜레스테롤과 같은 비극성 유기 물질은 벤젠과 같은 비극성 유기 용매에 잘 용해됩니다. 두 분자들 사이에 작용하는 런던 분산력이 비슷한 크기이기 때문입니다. 하지만 물과 기름은 서로 다른 종류의 분자간 힘을 가지기 때문에 섞이지 않습니다.