การละลาย

- การละลายเป็นกระบวนการที่อนุภาคของตัวถูกละลายกระจายอยู่ในตัวทำละลายระดับโมเลกุล สิ่งที่เห็นด้วยตาและภาพอนุภาคเป็นคนละระดับ จึงต้องแยกคำอธิบายทั้งสองก่อนสรุป

• แยกธาตุ สารประกอบ และของผสมได้; รู้พันธะไอออนิก แรงระหว่างอนุภาค และสัญลักษณ์สถานะ (s), (l), (g), (aq)

เข้าใจเนื้อหาและเงื่อนไข

1. การกระจายตัวในสารละลายไม่ได้แปลว่าแตกเป็นอะตอมเสมอ

• สารละลาย (Solution) เป็นของผสมเนื้อเดียวที่อนุภาคของตัวถูกละลายกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในตัวทำละลายและไม่ตกตะกอนแยกชั้นตามกาลเวลา

• ความแตกต่างระดับอนุภาคระหว่างสารแต่ละประเภท:
  • สารประกอบโคเวเลนต์โมเลกุล (เช่น ซูโครส/น้ำตาลทราย $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$): เมื่อละลายน้ำ โมเลกุลซูโครสจะแยกออกจากกันและกระจายตัวในน้ำ แต่สูตรเคมีของแต่ละโมเลกุลยังคงเป็น $\mathrm{C_{12}H_{22}O_{11}}$ ไม่ได้แตกพันธะโคเวเลนต์ออกเป็นอะตอมเดี่ยว $\rightarrow$ สารละลายไม่นำไฟฟ้า (Non-electrolyte)
  • สารประกอบไอออนิก (เช่น เกลือแกง $\mathrm{NaCl}$): เมื่อละลายน้ำ โครงผลึกจะแตกออกเป็นไอออนอิสระที่เคลื่อนที่ได้ คือ $\mathrm{Na^+(aq)}$ และ $\mathrm{Cl^-(aq)}$ $\rightarrow$ สารละลายนำไฟฟ้าได้ (Electrolyte)
• ความหมายของสัญลักษณ์ $\mathrm{(aq)}$:
  • ย่อมาจาก Aqueous หมายถึง อนุภาคไอออนหรือโมเลกุลนั้นถูกโมเลกุลของน้ำล้อมรอบอยู่ ไม่ได้หมายความว่าสารนั้นเปลี่ยนรูปกลายเป็นน้ำ

• จุดสังเกตสำคัญในภาพ:
  • ภาพรวม: แบบจำลองกระบวนการไฮเดรชัน (Hydration) ของไอออนในสารละลายน้ำ
  • ส่วนประกอบและสัญลักษณ์:
    • โมเลกุลของน้ำ: อะตอมออกซิเจนมีประจุบางส่วนลบ ($O\ \delta-$) หรือ O δ− ส่วนอะตอมไฮโดรเจนมีประจุบางส่วนบวก ($H\ \delta+$) หรือ H δ+
    • รอบไอออนบวก $\mathrm{Na^+}$: โมเลกุลน้ำหันด้าน O δ− เข้าหาแคตไอออน
    • รอบไอออนลบ $\mathrm{Cl^-}$: โมเลกุลน้ำหันด้าน H δ+ เข้าหาแอนไอออน
  • ข้อจำกัดของภาพจำลอง: แสดงทิศทางการจัดเรียงตัวเชิงไฟฟ้าสถิต ไม่ได้แสดงขนาดสัดส่วนจริงหรือจำนวนชั้นของเปลือกไฮเดรชัน (Hydration shell)

2. กลไกพลังงานในการละลาย (Enthalpy of Solution)

• การเกิดสารละลายของสารไอออนิกในน้ำเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงพลังงาน 2 ขั้นตอนหลัก:

• 1. ขั้นทำลายโครงผลึก (Lattice dissociation):
  • ต้องใส่พลังงานเพื่อเอาชนะแรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตและแยกไอออนออกจากโครงผลึกกลายเป็นไอออนในสถานะแก๊ส
  • เป็น กระบวนการดูดพลังงาน ($\Delta H_{\text{lattice}} > 0$)
• 2. ขั้นโมเลกุลน้ำเข้าล้อมรอบไอออน (Hydration):
  • โมเลกุลของน้ำเข้ามาล้อมรอบไอออนแก๊ส เกิดแรงดึงดูดระหว่างไอออนกับไดโพลของน้ำ (Ion-dipole attraction)
  • เป็น กระบวนการคายพลังงาน ($\Delta H_{\text{hydration}} < 0$)
• เอนทัลปีการละลายสุทธิ ($\Delta H_{\text{soln}}$): $$\Delta H_{\text{soln}} = \Delta H_{\text{lattice(dissociation)}} + \sum \Delta H_{\text{hydration}}$$
  • หาก $|\Delta H_{\text{hydration}}| > |\Delta H_{\text{lattice}}|$: การละลายจะเป็น แบบคายความร้อน (Exothermic) $\rightarrow$ อุณหภูมิของสารละลายสูงขึ้น
  • หาก $|\Delta H_{\text{lattice}}| > |\Delta H_{\text{hydration}}|$: การละลายจะเป็น แบบดูดความร้อน (Endothermic) $\rightarrow$ อุณหภูมิของสารละลายลดลง (แต่ยังสามารถเกิดขึ้นเองได้ตามธรรมชาติเนื่องจากมีปัจจัยเอนโทรปีช่วยขับเคลื่อน)

3. ปัจจัยที่มีผลต่อสภาพละลายได้และอัตราการละลาย

• แยกแยะอัตราการละลายออกจากสภาพละลายได้:
  • อัตราการละลาย (Rate of dissolution): บอกความเร็วในการละลาย เพิ่มขึ้นได้โดยการคนสาร, การให้ความร้อน, หรือการบดของแข็งให้เป็นผงละเอียด (เพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัส) แต่ ไม่ได้เปลี่ยนปริมาณสูงสุดที่ละลายได้
  • สภาพละลายได้ (Solubility): ปริมาณสูงสุดของตัวถูกละลายที่สามารถละลายได้ในตัวทำละลายปริมาณที่กำหนด ณ อุณหภูมิหนึ่ง เพื่อให้ได้ สารละลายอิ่มตัว (Saturated solution)
• ผลของอุณหภูมิและความดัน:
  • ของแข็ง: สารที่ละลายแบบดูดความร้อนจะละลายได้มากขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ส่วนสารที่ละลายแบบคายความร้อนจะละลายได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
  • แก๊ส: แก๊สทุกชนิดละลายในน้ำได้ น้อยลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น และละลายได้ มากขึ้นเมื่อความดันย่อยของแก๊สเหนือสารละลายสูงขึ้น (ตามกฎของเฮนรี)

ความรู้นี้ใช้กับโจทย์แบบไหน?

ตัวอย่างโจทย์พร้อมวิธีคิด