离子性盐类溶解性的热力学讨论

1、离子性盐类溶解性的热力学讨论离子性盐类溶解性的热力学讨论 1 溶解过程的标准自由焓变化溶解过程的标准自由焓变化 离子性化合物在水中溶解的难易程度，可以根据溶解过程的标准自由焓变化来加以讨论： GHTS 当G 0，溶解不能自发进行，即难溶解； G0，溶解已处于平衡。 从上式可见，溶解过程的焓变和熵变都对自由焓变化作出贡献，特别是溶解过程中，焓变通常很小，熵变的重要性有时十分突出，所以在讨论溶解过程的自由焓变化时，应从S和H两方面进行整体讨论。不过，一般说来，焓变的影响通常很明显，下面着重说明熵变对自由焓变化的影响。 溶解过程中的熵变包括两个方面溶解过程中的熵变包括两个方面： (1) 在离子化合物

2、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，当当S0，熵变项对自由焓变化的贡献是正值，熵变项对自由焓变化的贡献是正值，即即S0，熵变项

3、对自由焓变化，熵变项对自由焓变化的贡献是负值，即的贡献是负值，即S0，使盐的溶解性增加。，使盐的溶解性增加。 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。 CaCl2和CaF2都同它们相反，它们的溶解过程因Ca2离子的电荷高、半径小因而是熵减的过程，CaF2中，由于F的影响熵减更多： G H TS CaCl2 65.5 82.2 56.0 C

4、aF2 51.7 6.6 151.3 二者的差别在于CaCl2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CaCl2易溶。而CaF2是焓增，故难溶。 2 溶解过程的热力学分析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： McXa(s) cMa(aq) aXc(aq) I cMa(g) aXc(g) SGm latGm hGm 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： McXa(s) cMa(aq)aXc(aq) latGmlatHmTlatSm L(McX

5、a)TlatSm TlatSm latSm112.6(ac)Jk1mol1 latGm 31.1(ac) kJmol1SGmlatmGm hGm1.079105(ac)ZZ rr1.079105(a+c)ZZ rr 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。 latHmL0，破坏晶体需耗能，此项对溶解是不利的。 综合以上两个过程： sGmlatGmhGm (latHmhHm)T(latSmhSm) sHmTsSm 对于水合过程：cMa(g)aXc(g) cMa(aq)aXc(aq) hGmhHmThSm 离子水合是一个放热过程，hHm

6、0，即负的水合焓有 利于溶解过程进行； 水合熵hSmSm(aq)Sm(g)0，而hSm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latSm正值大、占优势，hSm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sSm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sHm为正值(正值表明latHm正值绝对值大，hHm负值绝对值小)，似乎对溶解不利，但却因sSm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NO3、ClO4)的盐类，常由于较正的sSm而导致易溶，尤其是当sHm为负时更是如此。已知硝酸盐都是易溶的，高氯酸盐也

7、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大，z大(如碳酸盐) 碳酸盐同硝酸盐相比，阴离子半径相近r(CO32)185 pm， r(NO3)189 pm，但电荷多了一倍，水化程度升高，hSm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sSm为负值。因此，尽管不少碳酸盐的sHm为负值(如Mg2、Ca2、Sr2)，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sSm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

8、外。 最后需要强调的是，以最后需要强调的是，以sGm0或或22.8 kJmol1属难溶盐， 此时Ksp104，或溶解度 0.01 molL1； 104，或溶解度 0.01 molL1； 因此，某一个11价或22价的盐solGm以 22.8 kJmol1作为判断的依据，若solGm22.8 kJmol1属难溶盐，此时Ksp 104，或溶解度小于0.01 molL1；若solGm104，或溶解度0.01 molL1。 类似地, 可计算出13或31型盐的solGm界限值为38.5 molL1 。 23或32型盐的solGm界限值为45.6 kJmol1。 对于12价或21价型的盐 MX2(M2X)(

9、s) M2(2M)(aq)2X(X2)(aq) KspM2X2 (或M2X2)0.010.022(或0.0221) 4106 sGm RTlnKsp 30.80 kJmol1 solGm30.8 kJmol1属难溶盐， 此时Ksp 4106，或溶解度 0.01 molL1 4106，或溶解度 0.01 molL1 因此，某12价或21价型的盐，solGm38.5 kJmol1以作为判断的依据，若solGm38.5 kJmol1属难溶盐，此时Ksp 2.7107，或溶解度 0.01 molL1；若solGm 2.7107，或溶解度 0.01 molL1。 如NaNO3，11，sGm7.2 kJm

10、ol1 22.8 kJmol1，难溶盐； (sHm146 kJmol1， 且有明显熵减sSm180 JK1mol1) Ca3(PO4)2，23，sHm64.4 kJmol1 45.6 kJmol1，难溶盐； Ag2SO4，12，sHm17.6 kJmol1，sSm34 JK1mol1， sGm27.8 kJmol1稍小于30.8 kJmol1，溶解度稍大于0.01 molL1，微溶。 4 关于离子半径对盐类溶解度影响的进一步讨论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

11、，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latHm和hydHm来分析： sHm latHmhydHm 从晶格焓的理论计算公式 latHmL 或写作latHmLf 水合焓的经验公式hydHm 或写作f hydHmhHm()hHm() (f1 )(f2 ) 于是，当r较大时，r增大对latHm影响不大，但hHm负值减小，对溶解不利。1.079105ZZ r+r7104Z2 r 851r1r1r+ 1r+r 因此，在r较大的盐中，hHm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，hHm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

12、晶格焓显著减小, 因而起了支配作用, 抵消了hHm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hydHm大，意味着离子半径小；hydHm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 Lf1 hydHm(f2 )(f3 ) 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190与195(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hHm(r)或hHm(r)很大，因而有利于sHm变负，从而易于溶解。反之，当rr就难以

13、溶解。 1r1r+ 1r+r (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 rr0.71 MCl在KCl处出现最小值 ，此时 rr0.73 MBr在RbBr处出现最小值 ，此时 rr0.76 MI在CsI处出现最小值 ，此时 rr0.76 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hHm(r)或hHm(r)很大，因而有利于sHm变负，从而易于溶解。反之，当rr就难以溶解。”用一个等效说法表示为： (半径半径)大大 (半径半径)大，大， 小小结合稳定，不易溶解小小结合稳定，不易溶解(rr)；反之，小大，大小结合不稳定，易溶解。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 大，大， 小小，中中结合稳定，不易溶解；小大，小小，中中结合稳定，不易溶解；小大，大小结合不稳定，易溶解大小结合不稳定，易溶解(我把它叫做我把它叫做大大 大，大， 小小规则小小规则)。 当生成水合物时，McXa(s)nH2O(l)McXanH2O(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 JK1mol1，S(H2O，l