การละลายคือปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวทำละลายกับ โมเลกุล ที่ละลายโมเลกุลทั้งที่มีประจุและไม่มีประจุจะทำปฏิกิริยากับตัวทำละลายอย่างรุนแรง และความแรงและลักษณะของปฏิสัมพันธ์นี้ส่งผลต่อคุณสมบัติหลายประการของตัวถูกละลาย รวมถึง ความ สามารถในการละลาย^{[ 1 ]}ปฏิกิริยาและสี ตลอดจนส่งผลต่อคุณสมบัติของตัวทำละลาย เช่นความหนืดและความหนาแน่น [ ^{2 ] หาก}แรงดึงดูดระหว่างอนุภาคตัวทำละลายและอนุภาคตัวถูกละลายมีมากกว่าแรงดึงดูดที่ยึดอนุภาคตัวถูกละลายเข้าด้วยกัน อนุภาคตัวทำละลายจะดึงอนุภาคตัวถูกละลายออกจากกันและล้อมรอบพวกมัน อนุภาคตัวถูกละลายที่ถูกล้อมรอบจะเคลื่อนที่ออกจากตัวถูกละลายที่เป็นของแข็งและออกไปในสารละลาย ไอออนจะถูกล้อมรอบด้วยเปลือกตัวทำละลายแบบวงกลมการละลายคือกระบวนการจัดเรียงโมเลกุลตัวทำละลายและตัวถูกละลายใหม่เป็นสารประกอบการละลาย และเกี่ยวข้องกับการสร้างพันธะพันธะไฮโดรเจนและแรงแวนเดอร์วาลส์การละลายของตัวถูกละลายโดยน้ำเรียกว่าการไฮเดรชั่น^{[ 3 ]}

ความสามารถในการละลายของ สารประกอบ ของแข็งขึ้นอยู่กับการแข่งขันระหว่างพลังงานแลตติสและการละลาย ซึ่งรวมถึง ผลกระทบ ของเอนโทรปีที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของตัวทำละลาย^{[ 4 ​​]}

ตามคำจำกัดความของ IUPAC ^{[ 5 ]}การละลายคือปฏิสัมพันธ์ของตัวถูกละลายกับตัวทำละลาย ซึ่งนำไปสู่การทำให้ชนิด ของตัวถูกละลาย ในสารละลายมีเสถียรภาพ ในสถานะที่ละลายแล้ว ไอออนหรือโมเลกุลในสารละลายจะถูกล้อมรอบหรือเกิดเป็นสารเชิงซ้อนกับโมเลกุลของตัวทำละลาย ชนิดของสารที่ละลายแล้วมักจะสามารถอธิบายได้ด้วยเลขโคออร์ดิเนชันและค่าคงที่ความเสถียรของสารเชิงซ้อน แนวคิดของปฏิสัมพันธ์การละลายยังสามารถนำไปใช้กับวัสดุที่ไม่ละลายน้ำได้ เช่น การละลายของหมู่ฟังก์ชันบนพื้นผิวของเรซิน แลกเปลี่ยนไอออน

โดยหลักการแล้ว การละลายแตกต่างจากความสามารถในการละลายการละลายหรือการละลายเป็น กระบวนการ จลนศาสตร์และวัดได้ด้วยอัตราการละลาย ในขณะที่ความสามารถในการละลายวัดสภาวะสมดุลพลวัตที่เกิดขึ้นเมื่ออัตราการละลายเท่ากับอัตราการตกตะกอนการพิจารณาหน่วยทำให้ความแตกต่างชัดเจนยิ่งขึ้น หน่วยทั่วไปสำหรับอัตราการละลายคือ โมล/วินาที (mol/s) หน่วยสำหรับความสามารถในการละลายแสดงถึงความเข้มข้น เช่น มวลต่อปริมาตร (มิลลิกรัม/มิลลิลิตร) โมลาริตี (โมล/ลิตร) เป็นต้น

กระบวนการละลายเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลหลายประเภท:

• พันธะไฮโดรเจน
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างไอออนและไดโพล
• แรง แวนเดอร์วาลส์ซึ่งประกอบด้วยปฏิกิริยาแบบไดโพล-ไดโพล, ไดโพล-ไดโพลเหนี่ยวนำ และไดโพลเหนี่ยวนำ-ไดโพลเหนี่ยวนำ

แรงใดในจำนวนนี้จะมีบทบาทขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลและคุณสมบัติของตัวทำละลายและตัวถูกละลาย ความคล้ายคลึงหรือลักษณะที่เสริมกันของคุณสมบัติเหล่านี้ระหว่างตัวทำละลายและตัวถูกละลายจะเป็นตัวกำหนดว่าตัวถูกละลายจะสามารถถูกละลายโดยตัวทำละลายชนิดใดชนิดหนึ่งได้ดีเพียงใด

ขั้วของตัวทำละลายเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดในการกำหนดว่าตัวทำละลายจะละลายสารละลายใดได้ดีเพียงใด ตัวทำละลายที่มีขั้วจะมีไดโพลระดับโมเลกุล หมายความว่าส่วนหนึ่งของโมเลกุลตัวทำละลายมีความหนาแน่นของอิเล็กตรอน มากกว่า อีกส่วนหนึ่ง ส่วนที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนมากกว่าจะได้รับประจุลบส่วนหนึ่งในขณะที่ส่วนที่มีความหนาแน่นของอิเล็กตรอนน้อยกว่าจะได้รับประจุบวกส่วนหนึ่ง โมเลกุลของตัวทำละลายที่มีขั้วสามารถละลายสารละลายและไอออนที่มีขั้วได้ เนื่องจากสามารถจัดเรียงส่วนที่มีประจุบางส่วนที่เหมาะสมของโมเลกุลเข้าหาสารละลายผ่านแรงดึงดูดทางไฟฟ้าสถิต ซึ่งจะทำให้ระบบมีเสถียรภาพและสร้างเปลือกการละลาย (หรือเปลือกการไฮเดรชั่นในกรณีของน้ำ) รอบอนุภาคของสารละลายแต่ละอนุภาค โมเลกุลของตัวทำละลายในบริเวณใกล้เคียงกับอนุภาคของสารละลายมักมีการเรียงตัวที่แตกต่างจากส่วนที่เหลือของตัวทำละลาย และบริเวณที่มีโมเลกุลของตัวทำละลายเรียงตัวแตกต่างกันนี้เรียกว่าบริเวณไซโบแทคติก^{[ 6 ]}น้ำเป็นตัวทำละลายขั้วที่พบได้ทั่วไปและมีการศึกษาอย่างแพร่หลาย แต่ยังมีตัวทำละลายขั้วอื่นๆ อีก เช่นเอทานอลเมทานอลอะ ซิโตน อะซิโตไนไตรล์และไดเมทิลซัลฟอกไซด์ ตัวทำละลายขั้ว มักมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก สูง แม้ว่าจะมีการใช้มาตราส่วนตัวทำละลายอื่นๆ เพื่อจำแนกขั้วของตัวทำละลายด้วย ตัวทำละลายขั้วสามารถใช้ละลาย สารประกอบ อนินทรีย์หรือไอออนิก เช่น เกลือได้การนำไฟฟ้าของสารละลายขึ้นอยู่กับการละลายของไอออน ตัวทำละลายที่ไม่มีขั้วไม่สามารถละลายไอออนได้ และไอออนจะพบในรูปของคู่ไอออน

พันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลายและตัวถูกละลายขึ้นอยู่กับความสามารถของแต่ละโมเลกุลในการรับพันธะไฮโดรเจน การให้พันธะไฮโดรเจน หรือทั้งสองอย่าง ตัวทำละลายที่สามารถให้พันธะไฮโดรเจนได้เรียกว่าโปรติกในขณะที่ตัวทำละลายที่ไม่มีพันธะโพลาไรซ์กับอะตอมไฮโดรเจนและไม่สามารถให้พันธะไฮโดรเจนได้เรียกว่าอะโปรติกความสามารถในการให้พันธะไฮโดรเจนถูกจัดประเภทตามระดับ (α) ^{[ 7 ]}ตัวทำละลายโปรติกสามารถละลายตัวถูกละลายที่สามารถรับพันธะไฮโดรเจนได้ ในทำนองเดียวกัน ตัวทำละลายที่สามารถรับพันธะไฮโดรเจนได้ก็สามารถละลายตัวถูกละลายที่ให้พันธะไฮโดรเจนได้ ความสามารถในการรับพันธะไฮโดรเจนของตัวทำละลายถูกจัดประเภทตามระดับ (β) ^{[ 8 ]}ตัวทำละลายเช่นน้ำเป็นแอมฟิโปรติกซึ่งหมายความว่าพวกมันสามารถทั้งให้และรับพันธะไฮโดรเจนได้ ทำให้พวกมันเหมาะอย่างยิ่งในการละลายตัวถูกละลายที่สามารถให้หรือรับ (หรือทั้งสองอย่าง) พันธะไฮโดรเจนได้

สารประกอบทางเคมีบางชนิดแสดงปรากฏการณ์โซลวาโทโครมิซึมซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงสีเนื่องจากขั้วของตัวทำละลาย ปรากฏการณ์นี้แสดงให้เห็นว่าตัวทำละลายที่แตกต่างกันมีปฏิกิริยาแตกต่างกันกับสารละลายชนิดเดียวกันผลกระทบอื่นๆ ของตัวทำละลายได้แก่ ความชอบในโครงสร้างหรือไอโซเมอร์ และการเปลี่ยนแปลงความเป็นกรดของสารละลาย

กระบวนการละลายจะเกิดขึ้นได้ทางอุณหพลศาสตร์ก็ต่อเมื่อพลังงานกิบส์ โดยรวม ของสารละลายลดลง เมื่อเทียบกับพลังงานกิบส์ของตัวทำละลายและของแข็ง (หรือก๊าซหรือของเหลว) ที่แยกออกจากกัน นั่นหมายความว่า การเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีลบด้วยการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี (คูณด้วยอุณหภูมิสัมบูรณ์) จะมีค่าเป็นลบ หรือพลังงานกิบส์ของระบบลดลง พลังงานกิบส์ที่เป็นลบแสดงว่ากระบวนการเกิดขึ้นเองได้ แต่ไม่ได้ให้ข้อมูลเกี่ยวกับอัตราการละลาย

การละลายเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนที่มีผลกระทบต่อพลังงานแตกต่างกัน ขั้นแรก ต้องมีการสร้างโพรงในตัวทำละลายเพื่อให้มีพื้นที่สำหรับตัวถูกละลาย ซึ่งไม่เอื้ออำนวยทั้งในเชิงเอนโทรปีและเอนทัลปี เนื่องจากความเป็นระเบียบของตัวทำละลายเพิ่มขึ้นและปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวทำละลายกับตัวทำละลายลดลง ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งขึ้นระหว่างโมเลกุลของตัวทำละลายนำไปสู่ค่าปรับเอนทัลปีที่มากขึ้นสำหรับการสร้างโพรง ต่อมา อนุภาคของตัวถูกละลายต้องแยกออกจากกลุ่ม ซึ่งไม่เอื้ออำนวยในเชิงเอนทัลปีเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวถูกละลายกับตัวถูกละลายลดลง แต่เมื่ออนุภาคของตัวถูกละลายเข้าไปในโพรง ปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวทำละลายกับตัวถูกละลายที่เกิดขึ้นจะเอื้ออำนวยในเชิงเอนทัลปี สุดท้าย เมื่อตัวถูกละลายผสมเข้ากับตัวทำละลาย จะมีการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี^{[ 6 ]}

เอนทาลปีของการละลายคือเอนทาลปีของการละลายลบด้วยเอนทาลปีของระบบที่แยกจากกัน ในขณะที่เอนโทรปีของการละลายคือผลต่างของเอนโทรปีที่สอดคล้องกันพลังงานการละลาย (การเปลี่ยนแปลงของพลังงานอิสระของกิบส์ ) คือการเปลี่ยนแปลงของเอนทาลปีลบด้วยผลคูณของอุณหภูมิ (ในหน่วยเคลวิน ) คูณด้วยการเปลี่ยนแปลงของเอนโทรปี ก๊าซมีเอนโทรปีของการละลายเป็นลบ เนื่องจากปริมาตรของก๊าซลดลงเมื่อก๊าซละลาย เนื่องจากเอนทาลปีของการละลายของก๊าซไม่ลดลงมากนักเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และเอนโทรปีของการละลายเป็นลบและไม่เปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ก๊าซส่วนใหญ่จึงละลายได้น้อยลงที่อุณหภูมิสูงขึ้น

เอนทาลปีของการละลายสามารถช่วยอธิบายว่าทำไมการละลายจึงเกิดขึ้นกับโครงสร้างไอออนิกบางชนิดแต่ไม่เกิดขึ้นกับชนิดอื่น ความแตกต่างของพลังงานระหว่างพลังงานที่จำเป็นในการปลดปล่อยไอออนออกจากโครงสร้างและพลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อไอออนรวมตัวกับโมเลกุลของตัวทำละลายเรียกว่าการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของการละลายค่าลบของการเปลี่ยนแปลงเอนทาลปีของการละลายสอดคล้องกับไอออนที่มีแนวโน้มที่จะละลาย ในขณะที่ค่าบวกสูงหมายความว่าการละลายจะไม่เกิดขึ้น เป็นไปได้ที่ไอออนจะละลายแม้ว่าจะมีค่าเอนทาลปีเป็นบวก พลังงานส่วนเกินที่จำเป็นมาจากการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีที่เกิดขึ้นเมื่อไอออนละลาย การนำเอนโทรปีเข้ามาทำให้ยากต่อการคำนวณเพียงอย่างเดียวว่าสารจะละลายหรือไม่ การวัดเชิงปริมาณสำหรับพลังการละลายของตัวทำละลายจะได้รับจาก^เลขผู้ให้ [ ^{9 ]}

แม้ว่าความคิดในยุคแรกคือ อัตราส่วนที่สูงขึ้นระหว่างประจุไอออนของแคตไอออนกับรัศมีไอออนหรือความหนาแน่นของประจุ จะส่งผลให้เกิดการละลายมากขึ้น แต่ความคิดนี้ใช้ไม่ได้ผลกับไอออนอย่างเช่น เหล็ก(III) หรือแลนทานัมและแอกทินอยด์ซึ่งจะถูกไฮโดรไลซ์ได้ง่ายเพื่อสร้างออกไซด์ ที่ไม่ละลายน้ำ (ไฮดรัส) เนื่องจากสารเหล่านี้เป็นของแข็ง จึงเห็นได้ชัดว่าพวกมันไม่ได้ถูกละลาย

ปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวทำละลายและตัวถูกละลายที่แข็งแกร่งทำให้กระบวนการละลายเป็นไปได้มากขึ้น วิธีหนึ่งในการเปรียบเทียบว่าการละลายของตัวถูกละลายในตัวทำละลายที่แตกต่างกันเป็นไปได้มากน้อยเพียงใดคือการพิจารณาพลังงานอิสระของการถ่ายโอน พลังงานอิสระของการถ่ายโอนจะวัดความแตกต่างของพลังงานอิสระระหว่างสารละลายเจือจางของตัวถูกละลายในตัวทำละลายที่แตกต่างกันสองชนิด ค่านี้โดยพื้นฐานแล้วช่วยให้สามารถเปรียบเทียบพลังงานการละลายได้โดยไม่ต้องรวมปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวถูกละลาย^{[ 6 ]}

โดยทั่วไป การวิเคราะห์ทางเทอร์โมไดนามิกของสารละลายจะทำโดยการจำลองสารละลายเหล่านั้นเป็นปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น หากคุณเติมโซเดียมคลอไรด์ลงในน้ำ เกลือจะแตกตัวเป็นไอออนโซเดียม (+aq) และคลอไรด์ (-aq) ค่าคงที่สมดุลของการแตกตัวนี้สามารถทำนายได้จากการเปลี่ยนแปลงพลังงานกิบส์ของปฏิกิริยานี้

สมการบอร์นใช้ในการประมาณค่าพลังงานอิสระของกิบส์ในการละลายของไอออนในสถานะก๊าซ

การศึกษาการจำลองล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานการละลายระหว่างไอออนและโมเลกุลน้ำโดยรอบเป็นพื้นฐานของกลไกของอนุกรมHofmeister ^{[ 10 ] [ 2 ]}

การละลาย (โดยเฉพาะการไฮเดรชั่น ) มีความสำคัญต่อโครงสร้างและกระบวนการทางชีวภาพหลายอย่าง ตัวอย่างเช่น การละลายของไอออนและ/หรือโมเลกุล ขนาดใหญ่ที่มีประจุ เช่นDNAและโปรตีน ในสารละลายในน้ำ มีอิทธิพลต่อการก่อตัวของกลุ่มที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งอาจเป็นสาเหตุของการทำงานทางชีวภาพ^{[ 11 ]}อีกตัวอย่างหนึ่งการพับตัวของโปรตีนเกิดขึ้นเองโดยธรรมชาติ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงที่เหมาะสมในปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนและโมเลกุลน้ำโดยรอบ โปรตีนที่พับตัวแล้วจะมีเสถียรภาพมากขึ้น 5 ถึง 10 กิโลแคลอรี /โมล เมื่อเทียบกับสถานะที่ยังไม่พับตัวเนื่องจากการรวมกันของการละลายและปฏิสัมพันธ์ภายในโมเลกุลที่แข็งแรงขึ้นในโครงสร้างโปรตีนที่พับตัวแล้วรวมถึงพันธะไฮโดรเจน^{[ 12 ]}การลดจำนวน โซ่ข้าง ที่ไม่ชอบน้ำที่สัมผัสกับน้ำโดยการฝังไว้ตรงกลางของโปรตีนที่พับตัวแล้ว เป็นแรงผลักดันที่เกี่ยวข้องกับการละลาย

การละลายยังมีผลต่อการสร้างสารเชิงซ้อนระหว่างโฮสต์และแขกโมเลกุลโฮสต์จำนวนมากมีรูพรุนที่ไม่ชอบน้ำซึ่งสามารถห่อหุ้มแขกที่ไม่ชอบน้ำได้อย่างง่ายดาย ปฏิสัมพันธ์เหล่านี้สามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่นการส่งยาเช่น โมเลกุลยาที่ไม่ชอบน้ำสามารถส่งไปยังระบบชีวภาพได้โดยไม่จำเป็นต้องดัดแปลงยาด้วยพันธะโควาเลนต์เพื่อให้ละลายได้ ค่าคงที่การจับกันของสารเชิงซ้อนระหว่างโฮสต์และแขกขึ้นอยู่กับขั้วของตัวทำละลาย^{[ 13 ]}

การให้ความชุ่มชื้นส่งผลต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และการสั่นสะเทือนของโมเลกุลชีวภาพ^{[ 14 ] [ 15 ]}

เนื่องจากความสำคัญของผลกระทบของตัวทำละลายต่อโครงสร้างของโมเลกุลขนาดใหญ่ การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ในยุคแรกๆ ที่พยายามจำลองพฤติกรรมของโมเลกุลเหล่านี้โดยไม่รวมผลกระทบของตัวทำละลาย ( ในสภาวะสุญญากาศ ) อาจให้ผลลัพธ์ที่ไม่ดีเมื่อเปรียบเทียบกับข้อมูลจากการทดลองที่ได้ในสารละลาย นอกจากนี้ โมเลกุลขนาดเล็กอาจมีโครงสร้างที่กะทัดรัดมากขึ้นเมื่อจำลองในสภาวะสุญญากาศเนื่องจากปฏิกิริยาแวนเดอร์วาลส์และปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตภายในโมเลกุลที่เอื้ออำนวย ซึ่งจะลดลงเมื่อมีตัวทำละลายอยู่ด้วย

เมื่อพลังการประมวลผลของคอมพิวเตอร์เพิ่มขึ้น ก็สามารถลองรวมผลกระทบของการละลายเข้าไว้ในการจำลองได้ และวิธีที่ง่ายที่สุดในการทำเช่นนี้คือการล้อมรอบโมเลกุลที่กำลังจำลองด้วย "ผิว" ของโมเลกุลตัวทำละลาย คล้ายกับการจำลองโมเลกุลภายในหยดตัวทำละลายหากผิวนั้นมีความลึกเพียงพอ^{[ 16 ]}

• Dogonadze, Revazและคณะ (บรรณาธิการ) (1985–88). ฟิสิกส์เคมีของการละลาย (ฉบับ 3 เล่ม). อัมสเตอร์ดัม: Elsevier.ISBN 0-444-42551-9(ส่วน ก) ISBN 0-444-42674-4(ส่วน B) ISBN 0-444-42984-0(เคมี).
• Jiang D.; Urakawa A.; Yulikov M.; Mallat T.; Jeschke G.; Baiker A. (2009). "การเลือกขนาดของโครงสร้างโลหะอินทรีย์ทองแดงและต้นกำเนิดของกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาในการแอลกอฮอลิซิสของอีพอกไซด์" Chemistry: A European Journal . 15 (45): 12255– 62. doi : 10.1002/chem.200901510 . PMID  19806616 .ตัวอย่างหนึ่งของ MOF ที่มีตัวทำละลาย ซึ่งมีการอธิบายถึงการละลายบางส่วน
• Serafin, JM (ตุลาคม 2546). "พลังงานอิสระในการถ่ายโอนและผลกระทบไฮโดรโฟบิก" . J. Chem. Educ . 80 (10): 1194– 1196. Bibcode : 2003JChEd..80.1194S . doi : 10.1021/ed080p1194 .