Исследование теплоты растворимости солей в зависимости от степени гидратации

Третий закон термодинамики утверждает, что при абсолютном нуле температуры (0 K) энтропия идеального кристалла становится нулевой.
Это связано с тем, что при этой температуре все молекулы находятся
в наивысшей степени упорядоченности. Третий закон можно описать так:
????=0 при ????=0 K.
Знание этих законов помогает понять термодинамические свойства систем, в частности, процессы, связанные с растворением солей.
На основании этих законов можно анализировать теплоту растворимости, энтропию и другие энергетические аспекты, связанные с химическими системами.
1.1. Понятие теплоты растворимости
Теплота растворимости - это изменение энтальпии (ΔH)
при растворении определённого количества вещества в растворителе. Энтальпия является мерой общей энергии в системе, включающей внутреннюю энергию и произведение давления на объём. Измерение энтальпии в процессе растворения позволяет определить, является ли процесс экзотермическим (выделение тепла) или эндотермическим (поглощение тепла).
Теплота растворимости тесно связана с энтропией, которая характеризует степень беспорядка или неупорядоченности в системе.
В 1870-х годах Дж. Уиллард Гиббс разработал понятие свободной энергии, которая объединяет энтальпию и энтропию для определения условий спонтанности процессов. Если теплота растворимости положительна, растворение,
как правило, эндотермическое, а если отрицательна, то экзотермическое.
1.2. Гиббсова энергия и энтальпия в процессе растворения
Свободная энергия Гиббса (ΔG) определяет спонтанность химических процессов. Согласно Гиббсу, процесс будет спонтанным, если изменение свободной энергии отрицательное. В контексте растворимости солей
это означает, что если ΔG отрицательно, соль будет растворяться спонтанно,
а если положительно, то растворение не будет происходить
без дополнительной энергии.
Энтальпия (ΔH) определяет, выделяется или поглощается тепло
в процессе растворения. Процесс растворения солей может быть экзотермическим или эндотермическим, в зависимости от природы соли
и растворителя. Энтропия (ΔS) указывает на изменение степени беспорядка
в системе при растворении. В целом, растворение часто сопровождается увеличением энтропии, поскольку соль диссоциирует на ионы, увеличивая неупорядоченность.
Чтобы понять, как изменяется энтропия и энтальпия при растворении, учёные используют уравнение Гиббса, которое связывает свободную энергию, энтальпию и энтропию с температурой:
ΔG=ΔH−T×ΔS,
где T - температура в кельвинах. Уравнение Гиббса позволяет предсказать, как изменения температуры, давления или концентрации повлияют на спонтанность процесса растворения. Это уравнение
также важно для анализа влияния степени гидратации на теплоту растворимости. Чем больше гидратация, тем более вероятно,
что растворение будет эндотермическим, так как требуется больше энергии для разрыва связей между ионами и молекулами воды.
2. Гидратация солей
Гидратация - это процесс, при котором молекулы воды взаимодействуют с ионами или молекулами соли, образуя гидратированные комплексы. Этот процесс играет ключевую роль в растворимости солей
в воде, поскольку степень гидратации определяет, насколько прочно молекулы воды связываются с ионами. Основные силы, которые участвуют
в процессе гидратации, включают ион-дипольное взаимодействие, водородные связи и электростатические силы.