2.4.กระบวนการละลายน้ำของสารไอออนิก

การละลายของสารไอออนิก 

                สารไอออนิกเกิดจากการรวมตัวกันระหว่างไอออนบวกกับไอออนลบ  ซึ่งโดยทั่วไปแล้วไอออนทั้งสองจะมีแรงดึงดูดกันมาก(พันธะไอออนิก)    การละลายเป็นการทำให้ไอออนแยกตัวออกจากกัน   จึงต้องใช้พลังงานจำนวนมากเช่นกันไอออนจึงจะแยกตัวออกจากกันได้   ขณะที่ไอออนเข้ามารวมตัวกันป็นสารไอออนิกนั้น  จะมีการคายพลังงานออกมาจำนวนหนึ่งที่เรียกว่าพลังงานโครงร่างผลึก (lattce energy)  สารไอออนิกชนิดใดคายพลังงานโครงร่างผลึกออกมามาก  พันธะไอออนิกก็จะมีความแข็งแรงมาก  ถ้าจะทำให้ไอออนแยกออกจากกันก็จะต้องใช้พลังงานมากด้วย  พลังงานดังกล่าวนี้มีผลต่อการละลายของสารไอออนิก  การที่สารไอออนิกแต่ละชนิดมีสภาพการละลาย  (solubility)  แตกต่างกันก็ขึ้นอยู่กับพลังงานส่วนนี้    การละลายของสารไอออนิกจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อต้องให้พลังงานจำนวนเท่ากับพลังงานโครงร่างผลึกกลับเข้าไป  ไอออนจึงจะแยกตัวออกจากกัน   แต่เรามักจะเรียกสั้น ๆ ว่าพลังงานโครงร่างผลึก   ดังสมการ

                Na⁺(g) + Cl^-(g)  →  NaCl(s)  ;  ΔH₅  =  -787  kJ/mol  

หมายความว่าแรงดึงดูดระหว่าง Na⁺ กับ Cl^- ที่รวมตัวกันอยู่ใน  NaCl  เมื่อคิดเป็นพลังงานจะมีค่าเท่ากับ  787  kJ/mol  ฉะนั้นถ้าจะทำให้ผลึก NaCl จำนวน  1  โมล   แยกตัวออกไปเป็น  Na⁺  และ  Cl^-  ในสภาวะก๊าซอย่างเดิมจึงต้องดูดพลังงาน  787  kJ/mol  กลับเข้าไป  ดังสมการ
                                NaCl(s)  →  Na⁺(g) + Cl^-(g)  ;  ΔH₅  =  +787  kJ/mol  

พลังงานนี้ถ้าจะเรียกชื่อให้ถูกจะต้องเรียกว่า  พลังงานเท่าพลังงานโครงร่างผลึก  แต่มักจะเรียกสั้น ๆ ว่าพลังงานโครงร่างผลึกดังกล่าวมาแล้ว  พลังงานนี้จะเป็นตัวบ่งชี้ว่าสารไอออนิกละลายง่ายหรือยาก  คือถ้ามีพลังงานโครงร่างผลึกมาก  สารไอออนิกก็จะละลายยากจนอาจถึงขั้นที่ไม่ละลายก็ได้ (คำว่าไม่ละลายหมายความว่า  ละลายได้น้อยกว่า  0.10  กรัม/น้ำ 100 กรัม) 

การละลายของสารไอออนิกจะเกี่ยวข้องกับพลังงาน  2  ขั้น  คือ

ขั้นที่ 1  ดูดพลังงานเท่าพลังงานโครงร่างผลึก เพื่อทำให้ไอออนบวกกับไอออนลบในผลึกแยกออกจากกัน  เขียนสมการแสดงดังนี้

                NaCl(s)  +  787 kJ/mol  →  Na⁺(g)  +  Cl^-(g)  

แสดงด้วยสัญลักษณ์   ΔH  จะใช้เครื่องหมายบวก  ดังสมการ 
               NaCl(s)  →  Na⁺(g)  +  Cl^-(g)   ;  ΔH₁  =  +787  kJ/mol

ΔH  ในกรณีนี้ใช้เครื่องหมายบวกเนื่องจากเป็นการดูดพลังงาน  มีผลให้  NaCl(s)  แยกออกจากกันกลายเป็น  Na⁺  กับ  Cl^-  อยู่ในภาวะแก๊ส  (g)  แต่ไม่ได้หมายความว่ากลายเป็นไอแล้วฟุ้งกระจายอยู่ในอากาศ  แต่หมายความว่าไอออนทั้งสองแยกตัวออกจากกันเป็นอิสระ  เคลื่อนที่ไปมาได้ด้วยตัวเองเพราะมีพลังงานสูงทำนองเดียวกับโมเลกุลของก๊าซต่าง ๆ   แต่ภาวะดังกล่าวนี้จะเกิดขึ้นในช่วงเวลาที่สั้นมากแล้วผ่านไปสู่ขั้นตอนต่อไปทันที่ 

พลังงานที่ใช้ในขั้นนี้ดูดเข้าไปจากสิ่งแวดล้อมที่อยู่ใกล้ที่สุด  ได้แก่ความร้อนที่มีอยู่ในตัวทำละลาย  จึงมีผลให้อุณหภูมิของระบบลดลง 

ขั้นที่ 2  คายพลังงานเมื่อโมเลกุลของตัวทำละลายเข้าล้อมรอบไอออน  ถ้าตัวทำละลายคือน้ำ  จะเรียกว่าพลังงานไฮเดรชัน  (Hydration)  ซึ่งสารไอออนิกส่วนมากก็จะละลายในน้ำ  ถ้าตัวทำละลายเป็นสารอื่นจะเรียกพลังงานในขั้นนี้ว่า  พลังงานโซลเวชัน (solvation)  สารไอออนิกจะละลายในตัวทำละลายที่โมเลกุลมีขั้วไฟฟ้า เรียกกันว่าตัวทำละลายมีขั้ว (pola solvent)  เช่น  โมเลกุลของน้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้วไฟฟ้า  ดังรูป

                จากรูปแสดงว่าโมเลกุลของน้ำทางด้านอะตอมของ O มีขั้วไฟฟ้าเป็นขั้วลบ  ส่วนทางด้านอะตอมของ H  มีขั้วไฟฟ้าเป็นขั้วบวก   ฉะนั้น  Na⁺  เมื่ออยู่ในน้ำก็จะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำ  โดยหันทางด้านอะตอมของ  O  เข้าหา  ส่วน  Cl^-   ก็จะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำโดยหันด้านอะตอมของ H  เข้าหา  (น้ำมีชื่อเดิมในภาษาละตินว่า aqua  หรือ  aqueous )  ฉะนั้นจึงใช้อักษรย่อ  (aq) แสดงการละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย  เช่น สารละลายของโซเดียมคลอไรด์ในน้ำเขียนดังนี้  NaCl(aq)  หรือ  Na⁺(aq) + Cl^-(aq) 

                โมเลกุลของน้ำซึ่งล้อมรอบ  Na⁺  และ  Cl^-  เกิดขึ้นทั้ง  3  มิติ  ไม่มีจำนวนที่แน่นอนว่าแต่ละไอออนจะถูกล้อมรอบด้วยโมเลกุลของน้ำจำนวนเท่าใด  ดังรูป

(คลิ้ก  ชมการละลายน้ำของ NaCl) 
(คลิ้ก  ชมโมเลกุลของน้ำซึ่งล้อมรอบไอออนบวกและไอออนลบ) 
(คลิ้ก ชมการละลายน้ำของ NaCl)

                ขณะที่โมเลกุลของน้ำเข้ามาล้อมรอบไอออนนั้น จะต้องมีการคายพลังงานออกมาจำนวนหนึ่ง เรียกพลังงานที่คายออกมานี้ว่าพลังงานไฮเดรชัน (Hydration)  ดังสมการ 

                       Na⁺(g)  +  Cl^-(g)  →  Na⁺(aq)  +  Cl^-(aq)  + 769  kJ/mol 

 แสดงด้วยสัญลักษณ์  ΔH₂  จะใช้เครื่องหมายลบ   ดังสมการ 

                        Na⁺(g)  +  Cl^-(g)  →  Na⁺(aq)  +  Cl^-(aq)  ;  ΔH₂  =  -769  kJ/mol

เมื่อนำพลังงานทั้ง 2 ขั้นตอนมารวมกัน (นำเครื่องหมายมาด้วย) ค่าที่ได้  เรียกว่าพลังงานของการละลาย  (Heat of solution  ; ΔH_sol )  ดังนี้

                ขั้นที่  1  NaCl(s)  →  Na+(g)  +  Cl-(g)   ;  ΔH₁  =  + 787 kJ/mol

                ขั้นที่  2  Na⁺(g)  +  Cl^-(g)  →  Na+(aq)  +  Cl^-(aq)  ;  ΔH₂  =  -769  kJ/mol

      ΔH_sol   =  ΔH₁ +  ΔH₂

                =  +787 +(-769)

                =  + 18  kJ/mol

                สมการรวม  Na(s) + Cl₂(g)  →  NaCl(s)    ;   ΔH_sol  =    + 18   kJ/mol