相似相溶(like dissolves like)原理是指由于
极性分子间的电性作用,使得极性分子组成的溶质易溶于极性分子组成的溶剂,难溶于
非极性分子组成的溶剂;非极性分子组成的溶质易溶于非极性分子组成的溶剂,难溶于极性分子组成的溶剂。
定义解释
如abc三种物质,ab是极性物质,c是非极性物质,则ab之间
溶解度大,ac或bc之间溶解度小。
⑴
相似相溶原理是一个关于物质
溶解性的经验规律。例如
水和
乙醇可以无限制地互相溶解,乙醇和
煤油只能有限地
互溶。因为水分子和乙醇分子都有一个—OH基,分别跟一个小的原子或
原子团相连,而煤油则是由分子中含8个~16个
碳原子组成的混合物,其烃基部分与乙醇的乙基相似,但与水毫无相似之处。
⑵结构的
相似性并不是决定溶解度的原因。
分子间作用力的类型和大小相近的物质,往往可以互溶;溶质和溶剂分子的偶极距相似性也是影响溶解度的因素之一。
具体可以这样理解:
1.
极性溶剂(如水)易溶解极性物质(
离子晶体、
分子晶体中的极性物质如强酸等);
2.
非极性溶剂(如苯、汽油、
四氯化碳等)能溶解非极性物质(大多数有机物、Br2、I2等)
3.含有相同
官能团的物质互溶,如水中含羟基(—
OH)能溶解含有羟基的醇、酚、羧酸。
另外,
极性分子易溶于极性溶剂中,
非极性分子易溶于非极性溶剂中。
4、一般情况,极性相似,则可相溶。
相溶原理
溶液中
溶质微粒和溶剂微粒的相互作用导致溶解。若溶质、溶剂都是
非极性分子,如I2和CCl4,
白磷和CS2,相互作用以
色散力为主;若一种为极性分子,另一种为非极性分子,如I2和C2H5OH,相互作用是
分子间作用力;在强极性分子间以
取向力为主;若一种溶剂微粒是离子,在水中形成
水合离子,在液氨中则形成氨合离子,其他溶剂中就是溶剂合离子。
简单地讲,若溶质微粒和溶剂微粒间相互作用和原先溶质微粒间、溶剂微粒间作用相近,则溶解的就会较多。这应当是相似相溶规律的基础,但是上述规律并不方便判断。于是人们总结出一个简易判断的规律:
相似相溶规律通常的说法是“极性相似的两者互溶度大”。例如,非极性、弱极性溶质易溶于非极性、弱
极性溶剂,如I2(非极性)分别在H2O(强极性)、C2H5OH(弱极性)、CCl4(非极性)中的溶解度(g/100g溶剂)依次为0.030(25℃)、20.5(15℃)、2.91(25℃)。又如O2(非极性)在1mL H2O、
乙醚(弱极性)、CCl4中溶解的体积(已换算至
标准状况下体积)依次为:0.0308mL(20℃)、0.455mL(25℃)、0.302mL(25℃);
白磷P4(非极性)能溶于CS2(非极性),但
红磷(
巨型结构)却不溶。
有机物相似相溶。
大家可能已经看出:相似相溶规律是定性规律,通常仅能给出
难溶、微溶、可溶的判断,如O2、I2易溶于弱极性、
非极性溶剂,但不能认为非极性的O2、I2在CCl4(非极性)中最易溶!!
再举一个例子:蒽和菲分子式相同,但前者为三个
苯环“直”并,无极性,而后者为三个苯环“弯”并,稍有极性。现分别溶于苯中,若完全按照“相似相溶规律”判断的话,似乎蒽在苯中的溶解要多些,实测结果:蒽在苯中溶解度(0.63%),菲在苯中溶解度(18.6%)。如何理解呢?(是不是觉得很高深很玄妙?)恩,请看更高更妙的解释——蒽,正因为是“直”的,所以分子间结合得紧,不容易分开,表现还有蒽的沸点较菲高,其
摩尔体积小于菲的……
其实,相似相溶规律还有一种表述:“结构相似者可能互溶”,HOH、CH3OH、C2H5OH、n-C3H7OH分子中都含-OH,且-OH所占“份额”较大,所以3种醇均可与水互溶,n-C4H9OH中虽含-OH,因其“份额”小,
水溶性有限。可以料想,碳数增多,
一元醇的水溶度将进一步下降。
丙三醇(
甘油)中含有-OH且“份额”较大,与水互溶。C6H12O6(
葡萄糖)中含5个-OH,因分子比H2O大了许多,只是易溶于水。高分子淀粉(C6H10O5)n的“分子”更大,只能部分溶解于水;而纤维素更大更高更妙,干脆难溶于水了。
甲苯稍有极性,却与非极性的苯
混溶;萘能溶于苯和甲苯……
含有相同官能团,且
分子大小相近,则它们的极性相近,例如CH3OH、C3H7OH
偶极矩分别1.69D和1.70D,所以,
结构相似有时也反映在极性上,但极性相似却不一定是结构相似的反映!!!如
硝基苯C6H5NO2、
苯酚C6H5OH的偶极矩分别为1.51D和1.70D,极性算是相近,但两者的20℃水溶度分别0.19%、8.2%。又如C3H7Br(1.8D)、C3H7I(1.6D)、C3H7OH(1.7D),极性相近,但20℃水溶度分别0.24%、0.11%、无穷。
可见,结构相似对溶解度的影响强于极性相似!!
顺便说一个金属互溶的问题:
⑴两种金属A、B晶体
结构类型相同,
原子半径差值小(一般<15%),如Ag(144.2pm)和
Au(143.9pm)都是面心立方堆积,半径相似,两者无相互溶;
⑵
半径差>15%时,金属间部分溶解,如Mg在
Cu或Ag中部分溶;
⑶价相同,金属间互溶度大,
钾钠合金互溶为导热系统,
伍德合金(Sn+Pb)互溶制
保险丝;
⑷
电负性相近,金属间互溶度大。
Cr、
Mo、W在Na、K中难溶在Cu、Ag中较“易”溶
金属互溶的问题是不是也可以看做是一种“相似相溶”呢,但这时,相似的不是极性,而主要是结构方面。
相似相溶规律应当从也需要从结构角度解释。虽然
热力学可以说明一些问题,但是主要是将现象赋予数学化和理论化,若继续追问起来为什么,如“为什么KNO3
溶解焓是负值?而
KOH的溶解焓为正值(吸热)?”“为什么溶解熵效应是这样如此这般的?”……恐怕还是要求助于
结构理论,上溯到更为深刻的道理上来。