Liukeneminen

Ruokasuola, natriumkloridi, liukenee hyvin veteen. Suola on liukeneva aine ja vesi liuotin.

Kulta, joka on aikoinaan ollut liuenneena kuutiolliseen pyriittikiteeseen, on jäänyt jäljelle, kun pyriitti on liuennut virtaavaan veteen. Kiven keskuksessa näkyy edelleen osa alkuperäisestä pyriitti­kiteestä.

Liukeneminen on tapahtuma, jossa liukeneva aine sekoittuu liuottimeen siten, että syntyy liuos.

Kun kiinteä aine liukenee nesteeseen, sen kiderakenne hajoaa erillisisiksi ioneiksi, atomeiksi tai molekyyleiksi. Jos liukeneva aine on neste tai kaasu, liuos muodostuu, jos sen molekyylit sopivat yhteen liottimen molekyylien kanssa. Liukenemisen lopputulos, liuenneen aineen määrä tasa­paino­n vallitessa eli aineen liukoisuus, riippuu ilmiöön liittyvistä termo­dynaamisista energioista kuten liukenemis­lämmöstä sekä entropian muutoksesta liukenemisessa, mutta liukeneminen itsessään on kineettinen prosessi. Ylipäänsä liuoksen vapaan energian on oltava negatiivinen, jotta liukenemista nettomääräisesti tapahtuisi. Nämä energiat taas riippuvat siitä, millä tavoin erilaiset liukenevassa aineessa ja liuottimessa esiintyvät kemialliset sidostyypit vuoro­vaikuttavat toistensa kanssa.

Kiinteitä liuoksia ovat muun muassa metalliseokset, ja niiden muodostuminen riippuu siihen liittyvästä faasidiagrammista.

Liukenemisilmiöllä on keskeinen merkitys monien maapallolla luonnossa esiintyvissä ilmiöissä, ja sillä on myös runsaasti käytännön sovelluksia. Liukenemiskokeita tehdään paljon esimerkiksi lääke­teollisuudessa tuotteiden laadun tarkkailemiseksi.

Ioniyhdisteiden liukeneminen

Kun ioniyhdiste liukenee nesteeseen, sen ionihila purkautuu ja aine liukenee erillisinä ioneina. Tämä tapahtuu yleisimmin poolisissa liuottimissa kuten vedessä tai ammoniakissa. Esimerkiksi natriumkloridin liukeneminen voidaan kuvata seuraavalla reaktioyhtälöllä:

NaCl_(s) → Na⁺_(aq) + Cl⁻_(aq)

Kolloidisessa aineissa voi olla hajallaan liuoksen seassa pieniä ionikiteitä, jotka ovat kemiallisessa tasapainossa ionien muodostaman kylläisen liuoksen kanssa, esimerkiksi:

NaCl_(aq) $\rightleftharpoons$ Na⁺_(aq) + Cl⁻_(aq)

Tällaisen systeemin käyttäytymistä kuvaavat sen komponenttien aktiivisuus­kertoimet sekä liukoisuustulo, joka määritellään seuraavasti:

$a_{Na^{+}}\cdot a_{Cl^{-}}=K_{sp}$

Muiden yhdisteiden liukeneminen

Molekyylisten kiinteiden yhdisteiden liuetessa nesteeseen niiden kiderakenne purkautuu, ja ne liukenevat molekyyleinä. Tyypillistä on, että "samanlainen liuottaa samanlaista": poolisiin liuottimiin kuten veteen liukenevat ioniyhdisteet sekä toiset pooliset yhdisteet, poolittomiin liuottimiin (kuten bensiiniin, joka on eri hiilivetyjen seos) taas toiset poolittomat aineet. Jotta voitaisiin ennustaa yhdisteen liukenevuutta tiettyyn liuottimeen, tulee tarkastella sekä liuottimen että kyseisen yhdisteen rakennetta. Rakenteen avulla voidaan selvittää yhdisteen poolisuus ja yllä olevan säännönmukaisuuden "samanlainen liuottaa samanlaista" avulla kyseisen yhdisteen liukenevuus käsiteltävään liuokseen.

Polymeerit

Polymeerien liukoisuus riippuu niiden ketjussa olevista kemiallisista sidoksista sekä niiden yhteen­sopivuudesta liuottimessa olevien kanssa. Polymeerien liukoisuutta mitataan yleensä Hildebrandin liukoisuusparametrilla. Mitä lähempänä nämä ovat toisiaan, sitä toden­näköisemmin liukeneminen tapahtuu.

Liukenemisen nopeus

Liukenemisen nopeus riippuu seuraavista tekijöistä:

• liukenevasta aineesta ja liuottimesta
• lämpötilasta ja vähemmässä määrin paineesta
• liuoksen kylläisyysasteesta
• siitä, missä määrin aineita sekoitetaan
• läsnä olevista inhibiittoreista, esimerkiksi liukenevan aineen pinnalla olevasta toisesta aineesta.

Liukenemisen nopeutta voidaan kuvata Noyesin ja Whitneyn yhtälöllä eli Nernstin ja Brunnerin yhtälöllä::

${\frac {dm}{dt}}=A{\frac {D}{d}}(C_{s}-C_{b})$

missä:

m on liuenneen aineen massa,

t on aika,

A on liukenevan aineen ja liuottimen välinen kosketuspinta-ala,

D on diffuusiokerroin,

d on liuottimen rajapinnan paksuus liukenevan aineen pinnalla,

C_s on aineen pitoisuus massaosuutena rajapinnalla ja

C_b on aineen pitoisuus massaosuutena muualla liuottimessa.

Jos liukenemista rajoittaa diffuusio, C_s on yhtä suuri kuin aineen liukoisuus.

Puhtaan kiinteän aineen liukenemis­nopeutta sen ja liuoksen välisen rajapinnan pinta-alayksikköä kohti nimitetään aineen ominais­liukenemis­nopeudeksi, ja sen yksikkö on kg/m²s. Sen on määritellyt Yhdysvaltojen farmakopea.

Eri systeemien liukenemisvauhdit eroavat toisistaan useiden suuruus­luokkien kanssa. Se korreloi voimakkaasti aineen liukoisuuden kanssa siten, että niukka­liukoiset aineet liukenevat yleensä hitaasti, runsas­liukoiset nopeasti. Tästä on kuitenkin poikkeuksia.