离子性盐类溶解性的热力学讨论课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,溶解过程中的熵变包括两个方面,：,(1),在离子化合物溶解生成水合离子的过程中，由于离子的电荷强电场的作用，使得在离子周围形成了一个水化层。显然，水化过程使系统的混乱度减小。,(2),离子的水化破坏了水的簇团结构，使水分子变得自由，结果是体系混乱度增加，水合熵增加。,因此，溶解过程的熵是增加还是减小决定于这两个方面哪一个占优势。,显然，当离子的电荷很高和离子半径较小时，离子的电荷密度较大，第一种效应显然占优势，此时熵值减小，不利于溶解过程的发生；相反，当离子电荷低、半径大、离子电荷密度小，此时，第一种效应较弱，此时熵值增加，有利于溶解过程的进行。,总的说来，,当,S0,，熵变项对自由焓变化的贡献是正值，即,S0,，熵变项对自由焓变化的贡献是负值，即,S0,，使盐的溶解性增加。,溶解过程中的熵变包括两个方面：,1,以,NaCl,和,AgCl,为例。这两个化合物在溶解时都是吸热的，,H,均大于,0,，但又都是熵增的，,S 0,。,G,H,TS,NaCl,9.10 42.80,AgCl 55.50 65.50 33.60,但在,NaCl,的溶解过程中焓变的正值较小、熵变项的贡献对,G,的影响较大，最终使得,G0,。故,NaCl,易溶而,AgCl,难溶。,CaCl,2,和,CaF,2,都同它们相反，它们的溶解过程因,Ca,2,离子的电荷高、半径小因而是熵减的过程，,CaF,2,中，由于,F,的影响熵减更多：,G,H,TS,CaCl,2,65.5,82.2,56.0,CaF,2,51.7 6.6,151.3,二者的差别在于,CaCl,2,同时也是焓减小的过程，其较负的焓效应足以克服熵变产生的不利影响，,G,仍为负值，所以,CaCl,2,易溶。而,CaF,2,是焓增，故难溶。,以NaCl和AgCl为例。这两个化合物在溶解,2,2,溶解过程的热力学分析,为了探讨离子性盐溶解自由焓变化的某些规律，先建立一个热力学循环：,M,c,X,a,(s)cM,a,(aq),aX,c,(aq),I ,cM,a,(g),aX,c,(g),S,G,m,lat,G,m,h,G,m,也就是说，溶解过程的自由焓变化，包括破坏晶体晶格和离子水合两个过程的自由焓变化。对于破坏晶体晶格过程：,M,c,X,a,(s)cM,a,(aq),aX,c,(aq),lat,G,m,lat,H,m,T,lat,S,m,L(M,c,X,a,),T,lat,S,m,T,lat,S,m,lat,S,m,112.6(a,c)Jk,1,mol,1,lat,G,m,31.1(a,c)kJmol,1,S,G,m,lat,m,G,m,h,G,m,1.07910,5,(a,c)Z,Z,r,r,1.07910,5,(a+c)Z,Z,r,r,2 溶解过程的热力学分析 为了探讨离子性盐,3,由此式可见：,破坏晶体，即使之成为无限远离的气态离子，其熵变大于,0,，即破坏晶体晶格的熵效应对溶解有利。,lat,H,m,L,0,，破坏晶体需耗能，此项对溶解是不利的。,综合以上两个过程：,s,G,m,lat,G,m,h,G,m,(,lat,H,m,h,H,m,)T(,lat,S,m,h,S,m,),s,H,m,T,s,S,m,对于水合过程：,cM,a,(g),aX,c,(g)cM,a,(aq),aX,c,(aq),h,G,m,h,H,m,T,h,S,m,离子水合是一个放热过程，,h,H,m,0,，即负的水合焓有 利于溶解过程进行；,水合熵,h,S,m,S,m,(aq),S,m,(g)0,，而,h,S,m,虽然小于,0,，但对一价较大的离子来说，水化程度低，熵减幅度小，即,lat,S,m,正值大、占优势，,h,S,m,负值小，影响不显著，因而晶格熵增未能被水化熵减所抵消，结果是,s,S,m,成为正值。即总体说来，溶解时是熵增的。因此，尽管不少的钾盐的,s,H,m,为正值,(,正值表明,lat,H,m,正值绝对值大，,h,H,m,负值绝对值小,),，似乎对溶解不利，但却因,s,S,m,也为正值而导致易溶。,r,大，,z,小，高氯酸盐、硝酸盐,一价的半径大的一些阴离子,(,如,NO,3,、,ClO,4,),的盐类，常由于较正的,s,S,m,而导致易溶，尤其是当,s,H,m,为负时更是如此。已知硝酸盐都是易溶的，高氯酸盐也有不少是易溶的。,(,可参照,r,较大，,z,较小的情况进行讨论,),下面以一些盐作为例子看一下溶解熵变的情况。,r较大，z较小，如K盐,6,r,大，,z,大,(,如碳酸盐,),碳酸盐同硝酸盐相比，阴离子半径相近,r(CO,3,2,),185 pm,，,r(NO,3,),189 pm,，但电荷多了一倍，水化程度升高，,h,S,m,减小幅度增加，破坏晶格的熵增能被水合熵减所抵消，结果是溶解熵减小，即,s,S,m,为负值。因此，尽管不少碳酸盐的,s,H,m,为负值,(,如,Mg,2,、,Ca,2,、,Sr,2,),，但却难于溶解。,z,大，,z,大,(,如镧系磷酸盐,),当阴阳离子均为高价时,(,如镧系元素的磷酸盐,),，由于电荷高，水化熵占优势，使得其溶解熵,s,S,m,负值更大，均为难熔盐。即使是由一价阴离子,F,组成的高价阳离子盐也不例外。,最后需要强调的是，以,s,G,m,0,或,22.8 kJmol,1,属难溶盐，,此时,K,sp,10,4,，或溶解度,0.01 molL,1,；,10,4,，或溶解度,0.01 molL,1,；,因此，某一个,1,1,价或,2,2,价的盐,sol,G,m,以,22.8 kJmol,1,作为判断的依据，若,sol,G,m,22.8 kJmol,1,属难溶盐，此时,K,sp,10,4,，或溶解度小于,0.01 molL,1,；若,sol,G,m,10,4,，或溶解度,0.01 molL,1,。,3 近似处理 在通常的概念中，,8,类似地,可计算出,1,3,或,3,1,型盐的,sol,G,m,界限值为,38.5 molL,1,。,2,3,或,3,2,型盐的,sol,G,m,界限值为,45.6 kJmol,1,。,对于,1,2,价或,2,1,价型的盐,MX,2,(M,2,X)(s)M,2,(2M,)(aq),2X,(X,2,)(aq),K,sp,M,2,X,2,(,或,M,2,X,2,),0.010.02,2,(,或,0.02,2,1),410,6,s,G,m,RTlnK,sp,30.80 kJmol,1,sol,G,m,30.8 kJmol,1,属难溶盐，,此时,K,sp,410,6,，或溶解度,0.01 molL,1,410,6,，或溶解度,0.01 molL,1,因此，某,1,2,价或,2,1,价型的盐，,sol,G,m,38.5 kJmol,1,以作为判断的依据，若,sol,G,m,38.5 kJmol,1,属难溶盐，此时,K,sp,2.710,7,，或溶解度,0.01 molL,1,；若,sol,G,m,2.710,7,，或溶解度,0.01 molL,1,。,类似地,可计算出13或31型盐的,9,如,NaNO,3,，,1,1,，,s,G,m,7.2 kJmol,1,22.8 kJmol,1,，难溶盐；,(,s,H,m,146 kJmol,1,，,且有明显熵减,s,S,m,180 JK,1,mol,1,),Ca,3,(PO,4,),2,，,2,3,，,s,H,m,64.4 kJmol,1,45.6 kJmol,1,，难溶盐；,Ag,2,SO,4,，,1,2,，,s,H,m,17.6 kJmol,1,，,s,S,m,34 JK,1,mol,1,，,s,G,m,27.8 kJmol,1,稍小于,30.8 kJmol,1,，溶解度稍大于,0.01 molL,1,，微溶。,如NaNO3，11，sGm7.2,10,4,关于离子半径对盐类溶解度影响的进一步讨论,(1),碱金属和碱土金属的盐类，当阴离子半径大时,(r,大,),时，常表现为溶解度随金属原子序数增大而减小；当阴离子半径小时,(r,小,),时，则溶解度常表现为随金属原子序数增大而增大。,这可从所包含的,lat,H,m,和,hyd,H,m,来分析：,s,H,m,lat,H,m,hyd,H,m,从晶格焓的理论计算公式,lat,H,m,L,或写作,lat,H,m,L,f,水合焓的经验公式,hyd,H,m,或写作,f,hyd,H,m,h,H,m,(,),h,H,m,(,),(,f,1,),(,f,2,),于是，当,r,较大时，,r,增大对,lat,H,m,影响不大，但,h,H,m,负值减小，对溶解不利。,1.07910,5,Z,Z,r,+,r,710,4,Z,2,r,85,1,r,1,r,1,r,+,1,r,+,+r,4 关于离子半径对盐类溶解度影响的进一步讨论,11,因此，在,r,较大的盐中，,h,H,m,其主导作用，溶解度随,r,增大而减小。相反，在,r,较小的盐中，随,r,增大，,h,H,m,负值减小,对溶解产生不利影响,但这一影响不太显著。而,r,较小和随着,r,增加晶格焓显著减小,因而起了支配作用,抵消了,h,H,m,负值减小的不利影响且有多余，故使得溶解度随,r,增大而增加。,(2)1,：,1,盐类 正离子和负离子的水合焓相差越大，则该盐越容易溶解。,这是由于,hyd,H,m,大，意味着离子半径小；,hyd,H,m,小，意指离子半径大。正负离子水合焓相差越大，意味着这两个离子的半径相差较大。于是，根据,L,f,1,hyd,H,m,(,f,2,),(,f,3,),在晶格能表达式中，,r,或,r,某一个小，容易被另一个大者所覆盖，如,1,90,与,1,95(,差,5),所得的结果是,L,变化不大。,但在水合焓表达式中，如果,r,或,r,某个很小，就意味着,h,H,m,(r,),或,h,H,m,(r,),很大，因而有利于,s,H,m,变负，从而易于溶解。反之，当,r,r,就难以溶解。,1,r,1,r,+,1,r,+,+r,因此，在r较大的盐中，hHm其主导作用,12,(3),碱金属卤化物的溶解度在适当的正负离子的半径比值时溶解度出现最小。,MF,在,NaF,处出现最小值，此时,r,r,0.71,MCl,在,KCl,处出现最小值，此时,r,r,0.73,MBr,在,RbBr,处出现最小值，此时,r,r,0.76,MI,在,CsI,处出现最小值，此时,r,r,0.76,因此，可以说,正负离子的大小在相互匹配时最稳定。,我将句话“但在水合焓表达式中，,如果,r,或,r,某个很小，就,意味着,h,H,m,(r,),或,h,H,m,(r,),很大，因而有利于,s,H,m,变负，从而,易于溶解,。反之，,当,r,r,就难以溶解。,”用一个等效说法表示为：,(,半径,),大,(,半径,),大，小小结合稳定，不易溶解,(r,r,),；反之，小大，大小结合不稳定，易溶解。,在上面的等效说法上再加上几个字：,大 大，小小，中中结合稳定，不易溶解；小大，大小结合不稳定，易溶解,(,我把它叫做,大,大，小小规则,),。,(3)碱金属卤化物的溶解度在,13,当生成水合物时，,M,c,X,a,(s),nH,2,O(l),M,c,X,a,nH,2,O(s),假定正、负离子在无水盐和含水盐中对摩尔熵的加和贡献相等。已知每,mol,晶格水对水合物的摩尔熵的独立加和贡献约为,39 JK,1,mol,1,，,S,(H,2,O,，,l),69.91 JK,1,mol,1,，那么上式,S,m,(298),S,(M,c,X,a,),n39),S,(M,c,X,a,),n69.9,30.9n JK,1,mol,1,(,生成一个晶格水，使熵减,30.9 JK,1,mol,1,),要能生成水合物，必须,G,m,0,，即,G,m,H,m,TS,m,0,。,H,m,298(,30.9n),9.2 n kJmol,1,即生成水合物必须至少放热,9.2n kJmol,1,才行。