溶解のしくみ | 高校化学まるごと解説

要点整理

食塩を水に入れるとすぐに見えなくなるのに、砂を水に入れてもいくらかき混ぜても粒のまま残ります。この違いはどこから生まれるのでしょうか。ここでは、物質が溶媒に「溶ける」とはどういうことかを、粒子どうしの引き合う力(分子間力・イオン間の力)という観点から見ていきます。

イオン結晶が水に溶けるしくみ

水分子 $\ce{H2O}$ は折れ線形をしていて、酸素原子側がわずかに負の電荷($\delta -$)、水素原子側がわずかに正の電荷($\delta +$)を帯びた極性分子です。

塩化ナトリウム $\ce{NaCl}$ の結晶を水に入れると、結晶の表面にある $\ce{Na+}$ には水分子の酸素原子側($\delta -$)が、$\ce{Cl-}$ には水分子の水素原子側($\delta +$)が向き合うように何個も水分子が集まってきます。この静電気的な引力によってイオンが結晶からはがされ、水分子に取り囲まれたまま水中に散らばっていきます。この、溶媒分子がイオンを取り囲んで安定化させるはたらきを水和といい、水和された状態のイオンを水和イオンと呼びます。

イオン結晶が水に溶けるかどうかは、大まかには次の2つの力の大小関係で決まります。

イオンどうしを結晶内に引き留めておく力(格子エネルギー)
水和によってイオンが安定化する度合い(水和エネルギー)

水和エネルギーが格子エネルギーを上回る場合には、イオンは結晶から飛び出して水中に溶け出します。逆に、イオン間の結合が非常に強い物質(例えば塩化銀 $\ce{AgCl}$ など)では、水和による安定化だけでは結晶を崩しきれず、水にほとんど溶けません。この「溶けにくい塩」については、化学平衡の単元で溶解度積として改めて定量的に扱います。

分子性物質が水に溶けるしくみ

分子でできた物質については、その分子が極性を持つかどうかで、水への溶けやすさが大きく変わります。

極性分子(水に溶けやすい)

エタノール $\ce{C2H5OH}$ やスクロース(ショ糖)のように、分子内に $\ce{-OH}$ のような極性の強い部分(官能基)を持つ分子は、その部分で水分子と水素結合を作ることができます。水分子どうしの結びつきに割り込むようにして水と混ざり合うため、これらの物質は水によく溶けます。

無極性分子(水に溶けにくい)

ヨウ素 $\ce{I2}$ やナフタレン、ヘキサン $\ce{C6H14}$ のような無極性分子は、水分子と強く引き合う部分を持たないため、水分子どうしの水素結合のネットワークの中にうまく入り込めません。そのため、これらの物質は水にはほとんど溶けません。

「似たものは似たものを溶かす」

以上をまとめると、次のような経験則が成り立ちます。

極性の大きい溶媒(水など)には、イオン結晶や極性分子が溶けやすい。極性の小さい(無極性の)溶媒(ヘキサンやベンゼンなど)には、無極性分子が溶けやすい。

これを「似たものは似たものを溶かす」と表現します。ヨウ素は水にはほとんど溶けませんが、無極性溶媒である四塩化炭素やヘキサンにはよく溶けるのはこのためです。

また、同じ「アルコール」の仲間でも、炭素数が少ないメタノールやエタノールは水と自由に混じり合いますが、炭素数が多くなる(炭化水素の部分、疎水基が大きくなる)ほど水に溶けにくくなっていきます。分子の中の「水と仲良くなれる部分($\ce{-OH}$、親水基)」と「水となじまない部分(炭化水素基、疎水基)」のどちらが優勢かによって、溶けやすさが変化するのです。この親水基・疎水基のバランスという考え方は、後で学ぶセッケンやコロイドの性質を理解するうえでも重要になります。

例題

例題1(基本)

問題

次の物質のうち、水によく溶けるものをすべて選べ。また、それぞれについて溶ける・溶けない理由を簡潔に説明せよ。

(a) $\ce{NaCl}$(塩化ナトリウム) (b) $\ce{I2}$(ヨウ素) (c) $\ce{C2H5OH}$(エタノール) (d) $\ce{C6H14}$(ヘキサン)

解答・解説を見る

(a) $\ce{NaCl}$ はイオン結晶で、水分子による水和によって $\ce{Na+}$ と $\ce{Cl-}$ に電離しながら水中に溶け出すので、よく溶ける。

(b) $\ce{I2}$ は無極性分子であり、極性分子である水と強く引き合う部分を持たないため、溶けにくい。

(d) $\ce{C6H14}$ は無極性分子であり、水とはなじまないため、溶けにくい。

このように、水によく溶けるのは (a) と (c) であり、共通点は「イオン性、または水と水素結合を作れる極性の部分を持つこと」です。逆に (b)(d) は無極性分子であり、「似たものは似たものを溶かす」という原則から、水には溶けにくいと判断できます。

答え:よく溶けるのは (a) $\ce{NaCl}$ と (c) $\ce{C2H5OH}$。イオン結晶や極性分子は水と水和・水素結合を作れるため溶けやすく、無極性分子である $\ce{I2}$・$\ce{C6H14}$ は水と強く引き合えないため溶けにくい。

例題2(標準)

問題

塩化ナトリウム $\ce{NaCl}$ は水によく溶けるが、塩化銀 $\ce{AgCl}$ は水にほとんど溶けない。この違いを、「格子エネルギー」と「水和エネルギー」という2つの言葉を使って説明せよ。

解答・解説を見る

イオン結晶が水に溶けるかどうかは、次の2つの量の大小関係で決まります。

格子エネルギー:イオン結晶の中でイオンどうしが結びついている強さ。これを断ち切って結晶をバラバラにするために必要なエネルギーが大きいほど、結晶は崩れにくい。
水和エネルギー:水和によってイオンが安定化するときに放出されるエネルギー。この値が大きいほど、イオンは水中で安定に存在できる。

$\ce{NaCl}$ の場合、水和エネルギーが格子エネルギーを上回るため、水分子による水和のはたらきだけで結晶を崩して $\ce{Na+}$ と $\ce{Cl-}$ を水中に引き出すことができ、よく溶けます。

一方、$\ce{AgCl}$ の場合は、イオン間の結合が非常に強く格子エネルギーが大きいため、水和エネルギーだけではこの結合を断ち切ることができず、ほとんど溶けずに沈殿として存在します。

答え:$\ce{NaCl}$ は水和エネルギーが格子エネルギーを上回るため水によく溶けるが、$\ce{AgCl}$ はイオン間の結合(格子エネルギー)が非常に強く、水和エネルギーだけではそれを上回れないため、水にほとんど溶けない。

例題3(応用)

問題

メタノール $\ce{CH3OH}$ とエタノール $\ce{C2H5OH}$ は水と自由に混じり合うが、炭素数が多いデカノール $\ce{C10H21OH}$ は水にほとんど溶けない。この理由を、分子の構造(親水基・疎水基)の観点から説明せよ。

解答・解説を見る

アルコール分子 $\ce{C_nH_{2n+1}OH}$ は、水と水素結合を作れる親水基($\ce{-OH}$)と、水となじまない疎水基(炭化水素の部分、$\ce{C_nH_{2n+1}-}$)の両方をあわせ持つ分子です。

メタノール($n=1$)やエタノール($n=2$)のように炭化水素の部分が小さい場合、分子全体に占める親水基($\ce{-OH}$)の影響が大きく、水分子との水素結合による安定化が疎水基の存在を上回るため、水と自由な割合で混じり合うことができます。

しかし、デカノール($n=10$)のように炭素数が増えると、分子の大部分が疎水性の炭化水素基で占められるようになります。分子中の $\ce{-OH}$ は1つしかないため、水と水素結合を作れる部分の割合が相対的に小さくなり、疎水基どうしが引き合おうとする性質(疎水性相互作用)の影響のほうが大きくなります。その結果、分子全体としては水になじみにくくなり、ほとんど溶けなくなります。

このように、同じ官能基を持つ分子の仲間(同族体)でも、炭素鎖の長さ(疎水基の大きさ)によって水への溶けやすさが連続的に変化することがわかります。この「分子の中の親水的な部分と疎水的な部分のバランス」という考え方は、後で学ぶセッケンなどの界面活性剤やコロイドの安定性を理解するための土台にもなります。

答え:アルコール分子は親水基($\ce{-OH}$)と疎水基(炭化水素基)をあわせ持つ。炭素数が少ないメタノールやエタノールは親水基の影響が相対的に大きく水によく混じるが、炭素数が多いデカノールでは疎水基の割合が大きくなり、水になじみにくくなるため、ほとんど溶けない。

練習問題

問題

グルコース(ブドウ糖、$\ce{C6H12O6}$、分子内に $\ce{-OH}$ を5個持つ)は、水とベンゼンのどちらによく溶けると考えられるか。理由とともに答えよ。

答え

水によく溶ける。 グルコースは $\ce{-OH}$ を多数持つ極性分子であり、水分子と水素結合を作りやすい(親水性が強い)ため。無極性溶媒であるベンゼンにはほとんど溶けない。