Solution - solution

Japanese: 溶液 - ようえき（英語表記）solution

A liquid in which a solid, liquid, or gas is dissolved and becomes homogeneous. Sometimes it also includes solid solutions.

Solutes and Solvents

In a solution, the dissolved substance is called the solute, and the substance that dissolves it is called the solvent. When mixing liquids, it can be difficult to distinguish which is the solvent. In this case, the substance with the greater amount (number of molecules) is the solvent, and the substance with the smaller amount is the solute. In sake, alcohol is the solute, but in the case of official alcohol (96%), the alcohol is the solvent and water is the solute.

[Yamazaki Akira]

Aqueous Solution

Water is an extremely good solvent, dissolving most salts and even organic compounds with hydrophilic groups (such as sucrose and soap). This excellent solubility is due to the fact that water has a high dielectric constant of 80, so the force of Coulomb attraction between ions in the crystal is reduced to one-eightieth, and the solute molecules and ions are separated by hydrogen bonds with water molecules and hydration, allowing them to exist stably. When the dielectric constant becomes small, such as in ethanol (ethyl alcohol), the solubility of ionic crystals becomes significantly worse.

[Yamazaki Akira]

Solubility

"Like dissolves like" is a common saying when predicting solubility. In solvents with high polarity, such as the aqueous solution mentioned above, solutes with high polarity tend to dissolve. On the other hand, solutes with low polarity tend to dissolve in solvents with low polarity, such as petroleum ether and benzene, and solutes with high polarity (such as water) hardly dissolve at all. Liquid-liquid extraction (solvent extraction) takes advantage of this difference in solubility. In the case of organic compounds, it has been used to extract fragrances and other substances since before the Common Era, but its application to inorganic compounds began in 1842 when the Frenchman Perigord extracted uranyl nitrate with ether. However, the application of solvent extraction became more widespread when it was applied to the refining and separation of nuclear fuels such as uranium and thorium in the Manhattan Project during World War II, and research on it progressed. By replacing the water molecules coordinated with uranium and thorium with organic compounds such as tributyl phosphate, and increasing their affinity for organic solvents, it becomes easier to extract them from the aqueous phase to the organic phase.

Substances with similar chemical structures mix well, but those with very different structures hardly dissolve together. For example, mercury is made up of metallic bonds, so it does not mix with polar substances such as water or non-polar solvents such as gasoline. However, it forms amalgams with most metals.

[Yamazaki Akira]

Solubility and Heat of Solution

Cases where solutes dissolve in any ratio, such as water and ethanol, are relatively rare. Generally, there is a limit to how much a solute can dissolve in a solvent, and this limit is determined by temperature. For gases with low solubility, Henry's law applies, and the amount of solute dissolved increases in proportion to pressure. When a solute dissolves, heat is absorbed or generated, and these are collectively called the heat of solution. This is usually the difference between the lattice energy required to remove solute molecules (or ions) from the solute crystal and the energy required to stabilize these molecules or ions in the solvent by solvation. The lattice energy of sodium chloride is 183.8 kcal per mole, but the stabilization energy of solvation is 182.9 kcal, so the heat of solution is only 0.9 kcal. Because the heat of solution is so small, the solubility of sodium chloride does not change much with temperature.

[Yamazaki Akira]

Freezing point depression and boiling point elevation

The properties of a solution are quite different from those of a pure solvent. Notably, the vapor pressure of a solution is lower than that of the solvent, so the boiling point rises and the freezing point falls. This boiling point rise and freezing point depression are proportional to the concentration (number of molecules) of the solute, so it can be used to measure the molecular weight and degree of ionization of the solute. The boiling point rise and freezing point depression when 1 mole of solute is dissolved in 1 kilogram of solvent are called the molar boiling point rise and molar freezing point depression, respectively. For water, these are 0.52°C and 1.86°C, respectively. For molecular weight measurements, solvents with large molar freezing point depressions, such as camphor and sulfolane, are often used.

[Yamazaki Akira]

Solution Theory

This theory elucidates the various properties of solutions from the standpoints of thermodynamics, statistical mechanics, quantum mechanics, etc. The laws concerning dilute solutions (Raoult's law, van't Hoff's law of osmotic pressure, Henry's law, and the partition law) have been successfully established in terms of molecular theory and statistical mechanics. In comparison, for concentrated solutions, there is the Debye-Huckel theory, but there are still many difficulties, and a complete theory has not yet been completed.

[Yamazaki Akira]

"Solutions and Solubility" by Kozo Shinoda (1966, Maruzen)" ▽ "Solvents for Synthesis and Dissolution" edited by Kozo Shinoda (1969, Maruzen)"

Energy required to dissolve a sodium chloride (NaCl) crystal
©Shogakukan ">

To dissolve sodium chloride (NaCl) crystals…

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

液体に固体、液体、気体が溶解して均一になった液体をいう。ときには固溶体を含めることもある。

溶質と溶媒

溶液では、溶けている物質を溶質とよび、溶かしているほうは溶媒という。液体どうしの混合の場合などにはどちらが溶媒かを区別しにくいこともある。この場合、分量（分子数）の多いほうが溶媒、少ないほうを溶質とする。清酒などではアルコールが溶質であるけれども、局方アルコール(96％)の場合は、アルコールのほうが溶媒で水が溶質ということになる。

［山崎　昶］

水溶液

水はきわめて優れた溶媒であり、大多数の塩類や親水性基をもつ有機化合物（ショ糖やせっけんなど）までよく溶解する。このように溶解性に優れているのは、水の誘電率が80と大きいので、イオンが結晶中でクーロン引力で引き合っている力が80分の1に下がることと、水分子との水素結合や水和などによって溶質の分子やイオンは引き離されて安定に存在できるからである。エタノール（エチルアルコール）のように誘電率が小さくなるとイオン性結晶の溶解性は格段に悪くなる。

［山崎　昶］

溶解性

「類は類を溶かす」というのが溶解性の予測によくいわれることである。前述の水溶液のように極性の大きい溶媒には、やはり極性の大きい溶質が溶けやすい。一方、石油エーテルやベンゼンのように極性の低い溶媒には極性の小さい溶質が溶けやすく、極性の大きい溶質（たとえば水）などはほとんど溶解しない。このような溶解性の差を利用したのが液液抽出（溶媒抽出）である。有機化合物の場合は紀元前から香料などの抽出に応用されてきたが、無機化合物に応用されたのは、1842年フランスのペリゴーが硝酸ウラニルをエーテル抽出したのに始まる。しかし溶媒抽出の応用が盛んになったのは、第二次世界大戦中のマンハッタン計画などのウランやトリウムなどの核燃料精製・分離に応用されて、研究が進んだことによる。ウランやトリウムの配位した水分子を、リン酸トリブチルのような有機化合物で置き換えて、有機溶媒に対する親和性を増大させることによって、水相から有機相に抽出することが容易になる。

　化学構造のよく似た物質どうしはよく混合しあうが、異なり方の大きいものはほとんど溶解しあわない。たとえば水銀は、金属結合でできているので、水のような極性物質、ガソリンのような無極性溶媒とも混じらない。しかしほとんどの金属とはアマルガムをつくる。

［山崎　昶］

溶解度と溶解熱

水とエタノールのように、どんな割合にでも溶解しあう場合はどちらかといえば珍しく、一般には溶質が溶媒に溶けるには限度があり、この限度は温度によって定まる。気体ではヘンリーの法則が、あまり溶解度の大きくないものについては成立し、圧力に比例して溶解量が増大する。溶質の溶解時に吸熱や発熱がおこるが、これらは溶解熱と総称する。これは、通常は溶質の結晶から溶質分子（またはイオン）を取り出すのに必要な格子エネルギーと、溶媒中でこれらの分子やイオンが溶媒和によって安定化するエネルギーとの差にあたる。塩化ナトリウムの格子エネルギーは1モル当り183.8キロカロリーであるが、溶媒和の安定化エネルギーが182.9キロカロリーもあり、差し引きわずかに0.9キロカロリーが溶解熱ということになる。このように溶解熱が小さいから、塩化ナトリウムの溶解度は温度によってあまり変化しないのである。

［山崎　昶］

凝固点降下と沸点上昇

溶液の性質は、純粋な溶媒の性質とかなり異なる。そのなかで顕著なものとして、溶媒よりも溶液の蒸気圧は低下するために沸点は上昇するし、凝固点は降下する。この沸点上昇、凝固点降下は溶質の濃度（分子数）に比例するから、これを利用して溶質の分子量や電離度などを測定することもできる。1モルの溶質が1キログラムの溶媒に溶けている場合の沸点上昇、凝固点降下は、それぞれモル沸点上昇、モル凝固点降下という。水の場合それぞれ0.52℃、1.86℃である。分子量測定などには樟脳(しょうのう)やスルホランのようにモル凝固点降下の大きいものを溶媒として行うことが多い。

［山崎　昶］

溶液論

溶液のもついろいろな性質を熱力学や統計力学、量子力学などの見地から解明するものである。希薄溶液についての諸法則（ラウールの法則や、ファント・ホッフの浸透圧の法則、ヘンリーの法則、分配律）などは分子論的に、また統計力学的に基礎づけが成功した。これに比べると、濃厚溶液に関しては、デバイ‐ヒュッケルの理論などがあるが、まだ種々の困難な点もあり、完全な理論はまだ完成に至っていない。

［山崎　昶］

『篠田耕三著『溶液と溶解度』（1966・丸善）』▽『篠田耕三編『合成と溶解のための溶媒』（1969・丸善）』