Введение

Способность вещества растворяться однородным образом – химическое свойство.

В химии растворимость – это способность вещества, растворяемого вещества, образовывать раствор с другим веществом, растворителем. Нерастворимость – противоположное свойство, неспособность растворяемого вещества образовывать такой раствор. Степень растворимости вещества в конкретном растворителе обычно измеряется как концентрация растворяемого вещества в насыщенном растворе, в котором больше не может быть растворено растворяемого вещества. Твердое или жидкое вещество может быть "растворено" в газе только после перехода в газообразное состояние. Растворимость в основном зависит от состава растворяемого вещества и растворителя (включая их pH и присутствие других растворенных веществ), а также от температуры и давления. Эта зависимость часто может быть объяснена с точки зрения взаимодействия между частицами (атомами, молекулами или ионами) двух веществ и термодинамических концепций, таких как энтальпия и энтропия. При определенных условиях концентрация растворяемого вещества может превышать его обычный предел растворимости. В результате образуется пересыщенный раствор, который является метастабильным и быстро выделяет избыток растворяемого вещества при появлении подходящего центра кристаллизации. Понятие растворимости неприменимо, когда между двумя веществами происходит необратимая химическая реакция, например, реакция гидроксида кальция с соляной кислотой; даже если неформально говорят, что одно "растворило" другое. Растворимость также отличается от скорости растворения, которая показывает, как быстро твердое растворяемое вещество растворяется в жидком растворителе. Это свойство зависит от многих других переменных, таких как физическая форма двух веществ и способ и интенсивность перемешивания. Понятие и измерение растворимости чрезвычайно важны во многих науках, помимо химии, таких как геология, биология, физика и океанография, а также в инженерии, медицине, сельском хозяйстве и даже в нетехнических областях, таких как живопись, уборка, приготовление пищи и пивоварение. Большинство химических реакций, представляющих научный, промышленный или практический интерес, происходят только после того, как реагенты растворены в подходящем растворителе. Вода – наиболее распространенный такой растворитель. Термин "растворимый" иногда используется для материалов, которые могут образовывать коллоидные суспензии очень мелких твердых частиц в жидкости. Однако количественная растворимость таких веществ обычно не определена четко.

Количественная оценка растворимости

Растворимость конкретного растворенного вещества в конкретном растворителе обычно выражается концентрацией насыщенного раствора, состоящего из этих двух компонентов. Для выражения концентрации растворов можно использовать различные способы, например, массу, объем или количество вещества (в молях) растворенного вещества, отнесенные к определенной массе, объему или количеству вещества (в молях) растворителя или раствора.

На количество растворителя

В частности, в химических справочниках растворимость часто выражают в граммах растворенного вещества на 100 миллилитров растворителя (г/100 мл) или в граммах растворенного вещества на децилитр растворителя (г/дл); реже – в граммах растворенного вещества на литр растворителя (г/л). Количество растворителя также может быть выражено в массе, например, в граммах растворенного вещества на 100 граммов растворителя (г/100 г) или в граммах растворенного вещества на килограмм растворителя (г/кг). В этом случае значение может быть выражено в процентах, при этом аббревиатура "w/w" может использоваться для обозначения "вес на вес". (Значения в г/л и г/кг схожи для воды, но это может быть не так для других растворителей.) В качестве альтернативы, растворимость растворенного вещества может быть выражена в молях, а не в массе. Например, если количество растворителя указано в килограммах, то значение представляет собой моляльность раствора (моль/кг).

На количество раствора

Растворимость вещества в жидкости также может быть выражена как количество растворенного вещества, приходящееся на количество раствора, а не растворителя. Например, следуя общепринятой практике в титровании, её можно выразить в молях растворенного вещества на литр раствора (моль/л), что соответствует молярной концентрации раствора. В более специализированных случаях растворимость может быть указана в виде мольной доли (количество молей растворенного вещества, деленное на общее количество молей растворенного вещества и растворителя) или массовой доли в состоянии равновесия (масса растворенного вещества, деленная на массу растворенного вещества и растворителя). Оба этих значения являются безразмерными числами в диапазоне от 0 до 1 и могут быть выражены в процентах (%).

Жидкие и газообразные растворенные вещества

Для растворов жидкостей или газов в жидкостях количество обоих веществ может быть выражено в объеме, а не в массе или количестве вещества; например, литр растворенного вещества на литр растворителя или литр растворенного вещества на литр раствора. Значение может быть указано в процентах, и для обозначения этого используется аббревиатура "v/v", означающая "объем к объему".

Преобразование значений растворимости

Преобразование между этими различными способами измерения растворимости может быть нетривиальным, поскольку для этого может потребоваться знание плотности раствора, которая часто не измеряется и не может быть предсказана. Хотя общая масса сохраняется при растворении, конечный объем может отличаться как от объема растворителя, так и от суммы объемов обоих компонентов. Более того, многие твердые вещества (такие как кислоты и соли) диссоциируют нетривиальным образом при растворении; в то же время, растворитель может образовывать координационные комплексы с молекулами или ионами растворенного вещества. В таких случаях сумма молей молекул растворенного вещества и растворителя не соответствует общему числу молей независимых частиц в растворе. Чтобы избежать этой проблемы, растворимость обычно рассчитывают и указывают в пересчете на моль раствора, как если бы растворенное вещество не диссоциировало и не образовывало комплексы – то есть, предполагая, что количество молей раствора равно сумме количеств молей обоих веществ.

Квалификаторы, используемые для описания степени растворимости

Степень растворимости варьируется в широком диапазоне, от бесконечно растворимого (без ограничений, то есть смешиваемого), как, например, этанол в воде, до практически нерастворимого, как, например, диоксид титана в воде. Для характеристики степени растворимости в конкретном применении также используется ряд других описательных терминов. Например, в Фармакопее США приведены следующие термины, основанные на массе растворителя (мсв), необходимой для растворения одной единицы массы растворяемого вещества (мсу): (Значения растворимости для примеров приблизительны и относятся к воде при 20–25 °C.) Термин Диапазон (мсв/мсу) Пример г/дл мсв/мсу Очень растворимый <1 нитрат кальция 158,7 0,63 Свободно растворимый 1–10 хлорид кальция 65 1,54 Растворимый 10–30 оксалат натрия 3,9 26 Умеренно растворимый 30–100 Слабо растворимый 100–1000 сульфат кальция 0,21 490 Очень слабо растворимый 1000–10 000 дикальцийфосфат 0,02 5000 Практически нерастворимый или нерастворимый ≥10 000 сульфат бария 0,000245 409000 Пороговые значения для описания вещества как нерастворимого или с использованием аналогичных терминов могут зависеть от области применения. Например, в одном источнике указано, что вещества считаются "нерастворимыми", если их растворимость составляет менее 0,1 г на 100 мл растворителя.

Молекулярный вид

Растворимость протекает в состоянии динамического равновесия, что означает, что она является результатом одновременных и противоположных процессов растворения и присоединения фазы (например, осаждения твердого вещества). Равновесие растворимости достигается, когда эти два процесса протекают с одинаковой и противоположно направленной скоростью. Термин "растворимость" также используется в некоторых областях, где растворяемое вещество подвергается сольволизу. Например, многие металлы и их оксиды описываются как "растворимые в соляной кислоте", хотя на самом деле водная кислота необратимо разлагает твердое вещество с образованием растворимых продуктов. В то же время, большинство ионных твердых веществ растворяются в полярных растворителях, но эти процессы обратимы. В случаях, когда растворяемое вещество не восстанавливается при испарении растворителя, этот процесс называется сольволизом. Термодинамическое понятие растворимости не применимо напрямую к сольволизу. При растворении растворяемое вещество может образовывать несколько видов в растворе. Например, водная суспензия гидроксида железа(II) будет содержать ряд комплексов [Fe(H2O)ₓ(OH)ₓ]²⁺, а также другие виды. Более того, растворимость гидроксида железа(II) и состав его растворимых компонентов зависят от pH. В общем случае, растворимость в фазе растворителя может быть определена только для конкретного растворяемого вещества, которое термодинамически стабильно, и значение растворимости будет включать все виды, присутствующие в растворе (в приведенном выше примере – все комплексы, содержащие железо).

Факторы, влияющие на растворимость

Растворимость определяется для конкретных фаз. Например, растворимость арагонита и кальцита в воде, как ожидается, будет отличаться, хотя они оба являются полиморфами карбоната кальция и имеют одну и ту же химическую формулу. Растворимость одного вещества в другом определяется балансом межмолекулярных сил между растворителем и растворенным веществом и изменением энтропии, сопровождающим сольватацию. Такие факторы, как температура и давление, изменят этот баланс, тем самым изменяя растворимость. Растворимость также может сильно зависеть от присутствия других видов, растворенных в растворителе, например, комплексообразующих анионов (лигандов) в жидкостях. Растворимость также будет зависеть от избытка или недостатка общего иона в растворе, явление, известное как эффект общего иона. В меньшей степени растворимость будет зависеть от ионной силы растворов. Последние два эффекта можно количественно оценить, используя уравнение равновесия растворимости. Для твердого вещества, которое растворяется в окислительно-восстановительной реакции, растворимость, как ожидается, будет зависеть от потенциала (в пределах диапазона потенциалов, при которых твердое тело остается термодинамически стабильной фазой). Например, растворимость золота в воде при высокой температуре почти на порядок выше (то есть примерно в десять раз выше), когда окислительно-восстановительный потенциал контролируется с помощью сильно окислительного буфера Fe3O4/Fe2O3, чем с умеренно окислительным буфером Ni/NiO. Растворимость (метастабильная, при концентрациях, приближающихся к насыщению) также зависит от физического размера кристалла или капли растворенного вещества (или, строго говоря, от удельной площади поверхности или молярной площади поверхности растворенного вещества). Для количественной оценки см. уравнение в статье о равновесии растворимости. Для сильно дефектных кристаллов растворимость может возрастать с увеличением степени неупорядоченности. Оба этих эффекта возникают из-за зависимости константы растворимости от энергии Гиббса кристалла. Последние два эффекта, хотя часто их трудно измерить, имеют практическое значение. Например, они обеспечивают движущую силу для старения осадка (размер кристаллов спонтанно увеличивается со временем).

Температура

Растворимость данного растворенного вещества в данном растворителе является функцией температуры. В зависимости от изменения энтальпии (ΔH) реакции растворения, то есть от эндотермического (ΔH > 0) или экзотермического (ΔH < 0) характера этой реакции, растворимость данного соединения может увеличиваться или уменьшаться с температурой. Уравнение ван-т-Хоффа связывает изменение константы равновесия растворимости (Ksp) с изменением температуры и изменением энтальпии реакции. Для большинства твердых веществ и жидкостей их растворимость увеличивается с температурой, поскольку их реакция растворения является эндотермической (ΔH > 0). В жидкой воде при высоких температурах (например, приближающихся к критической температуре) растворимость ионных растворенных веществ обычно снижается из-за изменения свойств и структуры жидкой воды; более низлая диэлектрическая проницаемость приводит к менее полярному растворителю и изменению энергии гидратации, что влияет на ΔG реакции растворения. Газообразные растворенные вещества демонстрируют более сложное поведение в зависимости от температуры. При повышении температуры газы обычно становятся менее растворимыми в воде (экзотермическая реакция растворения, связанная с их гидратацией) (до минимума, который для большинства постоянных газов ниже 120 °C), но более растворимыми в органических растворителях (эндотермическая реакция растворения, связанная с их солюватацией). Многие соли, такие как нитрат бария и динатрия гидрогенарсенат, демонстрируют значительное увеличение растворимости с повышением температуры (ΔH > 0). Некоторые растворенные вещества (например, хлорид натрия в воде) имеют растворимость, практически не зависящую от температуры (ΔH ≈ 0). Другие, такие как сульфат кальция (гипс) и сульфат церия(III), становятся менее растворимыми в воде при повышении температуры (ΔH < 0). Это также справедливо для гидроксида кальция (портландита), растворимость которого при 70 °C составляет примерно половину его значения при 25 °C. Растворение гидроксида кальция в воде также является экзотермическим процессом (ΔH < 0) и подчиняется уравнению ван-т-Хоффа и принципу Ле-Шателье. Понижение температуры способствует удалению тепла растворения из системы и, следовательно, способствует растворению Ca(OH)2: таким образом, растворимость портландита увеличивается при низкой температуре. Эта температурная зависимость иногда называется "ретроградной" или "обратной" растворимостью. В некоторых случаях наблюдается более сложная закономерность, как, например, с сульфатом натрия, где менее растворимый декагидрат (мирабилит) теряет воду кристаллизации при 32 °C, образуя более растворимую безводную фазу (тенардит) с меньшим изменением свободной энергии Гиббса (ΔG) в реакции растворения. Растворимость органических соединений почти всегда увеличивается с температурой. Метод перекристаллизации, используемый для очистки твердых веществ, основан на различной растворимости растворенного вещества в горячем и холодном растворителе. Существуют некоторые исключения, такие как определенные циклодекстрины.

Давление

Для конденсированных фаз (твердых и жидких веществ) зависимость растворимости от давления обычно невелика и часто пренебрегается на практике. При допущении об идеальном растворе, эта зависимость может быть выражена следующим образом:

где индекс соответствует итерации по компонентам, – мольная доля i-го компонента в растворе, – давление, индекс относится к постоянной температуре, – парциальный молярный объем i-го компонента в растворе, – парциальный молярный объем i-го компонента в растворяющемся твердом теле, а – универсальная газовая постоянная. Зависимость растворимости от давления иногда имеет практическое значение. Например, осаждение сульфата кальция в нефтяных месторождениях и скважинах (при котором его растворимость уменьшается с понижением давления) может приводить к снижению продуктивности со временем.

Растворимость газов

Закон Генри используется для количественного определения растворимости газов в растворителях. Растворимость газа в растворителе прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа над растворителем. Эта зависимость аналогична закону Рауля и может быть записана следующим образом: где – температурно-зависимая константа (например, 769,2 л·атм/моль для диоксигена (O2) в воде при 298 К), – парциальное давление (в атм), и – концентрация растворенного газа в жидкости (в моль/л). Растворимость газов иногда также количественно оценивается с использованием коэффициента растворимости Бунзена. В присутствии небольших пузырьков растворимость газа не зависит от радиуса пузырька иным способом, кроме как через влияние радиуса на давление (то есть растворимость газа в жидкости, контактирующей с небольшими пузырьками, увеличивается из-за повышения давления на Δp = 2γ/r; см. уравнение Юнга-Лапласа). Закон Генри справедлив для газов, которые не претерпевают изменения химического состава при растворении. Закон Сиверса демонстрирует случай, когда это предположение не выполняется. Растворимость углекислого газа в морской воде также зависит от температуры, pH раствора и карбонатного буфера. Снижение растворимости углекислого газа в морской воде при повышении температуры также является важным фактором обратной связи (положительной обратной связи), усугубляющим прошлые и будущие изменения климата, как это наблюдается в кернах льда с антарктической станции Восток. В геологическом масштабе времени, из-за циклов Миланковича, когда астрономические параметры орбиты Земли и ее оси вращения постепенно изменяются и модифицируют солнечное излучение на поверхности Земли, температура начинает повышаться. Когда начинается период деглациации, постепенное потепление океанов высвобождает CO2 в атмосферу из-за его меньшей растворимости в более теплой морской воде. В свою очередь, более высокий уровень CO2 в атмосфере усиливает парниковый эффект, а углекислый газ выступает в качестве усилителя общего потепления.

Полярность

Популярный афоризм, используемый для прогнозирования растворимости, – "подобное растворяет подобное", также выраженный на латинском языке как "Similia similibus solventur". Это утверждение указывает на то, что вещество будет лучше всего растворяться в растворителе, имеющем схожую с ним химическую структуру, благодаря благоприятной энтропии смешивания. Этот взгляд упрощен, но представляет собой полезное эмпирическое правило. Общая способность растворителя к растворению зависит главным образом от его полярности. Например, высокополярное (гидрофильное) вещество, такое как мочевина, очень хорошо растворимо в высокополярной воде, менее растворимо в умеренно полярном метаноле и практически нерастворимо в неполярных растворителях, таких как бензол. Напротив, неполярное или липофильное вещество, такое как нафталин, нерастворимо в воде, умеренно растворимо в метаноле и хорошо растворимо в неполярном бензоле. Если говорить еще проще, простое ионное соединение (состоящее из положительных и отрицательных ионов), такое как хлорид натрия (поваренная соль), легко растворяется в высокополярном растворителе (с некоторым разделением положительных (δ+) и отрицательных (δ-) зарядов в ковалентной молекуле), например, в воде, поэтому море соленое, так как оно накапливает растворенные соли с древнейших геологических эпох. Растворимость благоприятствуется энтропией смешивания (ΔS) и зависит от энталпии растворения (ΔH) и гидрофобного эффекта. Свободная энергия растворения (энергия Гиббса) зависит от температуры и определяется соотношением: ΔG = ΔH – TΔS. Меньшее значение ΔG соответствует большей растворимости. Химики часто используют различия в растворимости для разделения и очистки соединений из реакционных смесей, применяя метод жидкостно-жидкостной экстракции. Это применимо в широких областях химии, от синтеза лекарств до переработки отработавшего ядерного топлива.

Продукт растворимости

Константы растворимости используются для описания насыщенных растворов ионных соединений с относительно низкой растворимостью (см. равновесие растворимости). Константа растворимости является частным случаем константы равновесия. Поскольку она представляет собой произведение концентраций ионов в состоянии равновесия, она также известна как произведение растворимости. Она описывает равновесие между растворенными ионами соли и нерастворенной солью. Константа растворимости также "применима" (то есть полезна) к процессу осаждения, который является обратным процессу растворения. Как и другие константы равновесия, константа растворимости может зависеть от температуры. Хотя константа растворимости не так проста, как сама растворимость, значение этой константы обычно не зависит от присутствия других веществ в растворителе.

Другие теории

Теория растворов Флори–Хэггинса – это теоретическая модель, описывающая растворимость полимеров. Параметры растворимости Хансена и параметры растворимости Хильдебранда – это эмпирические методы для предсказания растворимости. Предсказать растворимость также можно на основе других физических констант, таких как энтальпия плавления. Коэффициент распределения октанола и воды, обычно выражаемый в виде его логарифма (Log P), является мерой различий в растворимости соединения в гидрофобном растворителе (1-октаноле) и гидрофильном растворителе (воде). Логарифм этих значений позволяет ранжировать соединения по степени гидрофильности (или гидрофобности). Изменение энергии, связанное с растворением, обычно указывается на моль растворяемого вещества в виде энтальпии растворения.

Приложения

Растворимость имеет фундаментальное значение в большом количестве научных дисциплин и практических применений, начиная от обогащения руд и ядерной переработки до использования лекарственных средств и переноса загрязняющих веществ. Растворимость часто называют одним из "характерных свойств вещества", что означает, что она обычно используется для описания вещества, для определения его полярности, для его идентификации и в качестве ориентира при выборе области применения. Например, индиго описывается как "нерастворимый в воде, спирте или эфире, но растворимый в хлороформе, нитробензоле или концентрированной серной кислоте". Растворимость вещества полезна при разделении смесей. Например, смесь соли (хлорида натрия) и диоксида кремния может быть разделена путем растворения соли в воде и последующей фильтрации нерастворившегося диоксида кремния. Синтез химических соединений, будь то миллиграммы в лаборатории или тонны в промышленности, использует относительную растворимость целевого продукта, а также непрореагировавших исходных веществ, побочных продуктов и продуктов побочных реакций для осуществления разделения. Другим примером является синтез бензойной кислоты из фенилмагнийбромида и сухого льда. Бензойная кислота лучше растворяется в органическом растворителе, таком как дихлорметан или диэтиловый эфир, и при встряхивании с этим растворителем в делительной воронке, предпочтительно переходит в органический слой. Другие продукты реакции, включая бромид магния, остаются в водном слое, что наглядно демонстрирует разделение, основанное на различии в растворимости. Этот процесс, известный как жидкостно-жидкостная экстракция, является важной методикой в синтетической химии. Для обеспечения максимальной экстракции используется рециркуляция растворителя.

Дифференциальная растворимость

В проточных системах различия в растворимости часто определяют перенос веществ, обусловленный процессами растворения и осаждения. Это происходит, когда различные части системы испытывают различные условия. Даже незначительные различия в условиях могут привести к существенным последствиям при достаточном времени. Например, соединения с относительно низкой растворимостью оказываются растворимыми в более экстремальных средах, что приводит к геохимическим и геологическим эффектам, связанным с деятельностью гидротермальных флюидов в земной коре. Они часто являются источником высококачественных экономических месторождений полезных ископаемых, а также драгоценных и полудрагоценных камней. Аналогично, соединения с низкой растворимостью будут растворяться в течение длительного времени (геологического времени), что приведет к значительным эффектам, таким как обширные пещерные системы или карстовые ландшафты.

Растворимость органических соединений

Принцип, описанный выше в разделе о полярности, заключающийся в том, что подобное растворяется в подобном, обычно определяет растворимость в органических системах. Например, вазелин растворяется в бензине, поскольку как вазелин, так и бензин являются неполярными углеводородами. Однако он не растворится в этиловом спирте или воде, так как полярность этих растворителей слишком высока. Сахар не растворяется в бензине, поскольку он слишком полярный по сравнению с бензином. Следовательно, смесь бензина и сахара можно разделить фильтрацией или экстракцией водой.

Твердый раствор

Этот термин часто используется в области металлургии для обозначения степени, в которой легирующий элемент растворяется в основном металле, не образуя отдельной фазы. Линия (или кривая) растворимости – это линия (или линии) на фазовой диаграмме, определяющая пределы растворения. Иными словами, эти линии показывают максимальное количество компонента, которое можно добавить к другому компоненту, сохранив при этом твердый раствор. В кристаллической структуре твердого тела "растворенный" элемент может занимать место атомов матрицы в кристаллической решетке (замещающее положение, например, хром в железе) или располагаться в междоузлиях решетки (интерстициальное положение, например, углерод в железе). В микроэлектронном производстве под растворимостью твердого вещества понимают максимальную концентрацию примесей, которую можно ввести в подложку. В твердых соединениях (в отличие от элементов) растворимость растворенного элемента также может зависеть от фаз, выделяющихся при равновесии. Например, количество Sn, растворимого в фазе ZnSb, может существенно зависеть от того, какие фазы выделяются в равновесии – (Zn4Sb3+Sn(L)) или (ZnSnSb2+Sn(L)). Кроме того, соединение ZnSb с Sn в качестве растворенного вещества может выделяться в другие комбинации фаз после достижения предела растворимости, в зависимости от исходного химического состава при синтезе. Каждая комбинация приводит к различной растворимости Sn в ZnSb. Следовательно, исследования растворимости в соединениях, завершенные при первом обнаружении выделяющихся вторичных фаз, могут занижать фактическую растворимость. Хотя максимальное число фаз, выделяющихся одновременно в равновесии, можно определить с помощью фазового правила Гиббса, для химических соединений не существует ограничений на количество таких комбинаций выделяющихся фаз. Поэтому экспериментальное определение "максимальной растворимости" в твердых соединениях может быть сложным и требует равновесия большого числа образцов. Если доминирующий кристаллографический дефект (преимущественно точечный интерстициальный или замещающий дефект), участвующий в образовании твердого раствора, может быть химически предсказан заранее, то использование простых термодинамических принципов может значительно сократить количество образцов, необходимых для определения максимальной растворимости.

Несовместимое растворение

Многие вещества растворяются конгруэнтно (т.е. состав твердой фазы и растворенного вещества стехиометрически согласуются). Однако некоторые вещества могут растворяться неконгруэнтно, при этом состав растворенного вещества в растворе не соответствует составу твердой фазы. Это растворение сопровождается изменением "первичной твердой фазы" и, возможно, образованием вторичной твердой фазы. Однако, как правило, часть первичной твердой фазы остается, и устанавливается сложное равновесие растворимости. Например, растворение альбита может приводить к образованию гиббсита: NaAlSi3O8(т) + H+ + 7H2O ⇌ Na+ + Al(OH)3(т) + 3H4SiO4. В этом случае растворимость альбита, вероятно, будет зависеть от соотношения количества твердой фазы к количеству растворителя. Этот тип растворимости имеет большое значение в геологии, где он приводит к образованию метаморфических пород. В принципе, как конгруэнтное, так и неконгруэнтное растворение может приводить к образованию вторичных твердых фаз в состоянии равновесия. Следовательно, в материаловедении растворимость в обоих случаях описывается в более общем виде с помощью диаграмм фаз химического состава.

Прогноз растворимости

Растворимость – это свойство, представляющее интерес во многих областях науки, включая, но не ограничиваясь: прогнозирование состояния окружающей среды, биохимию, фармацевтику, разработку лекарственных средств, агрохимический дизайн и связывание белков с лигандами. Растворимость в воде имеет фундаментальное значение в связи с важными биологическими и транспортными функциями, выполняемыми водой. Помимо этого очевидного научного интереса к растворимости в воде и влиянию растворителей, точные прогнозы растворимости важны и для промышленности. Возможность точно предсказывать растворимость молекулы может привести к значительной финансовой экономии во многих процессах разработки химических продуктов, например, фармацевтических препаратов. В фармацевтической отрасли прогнозы растворимости являются частью процесса оптимизации перспективных лекарственных кандидатов на ранних стадиях. Растворимость остаётся важным фактором вплоть до разработки состава лекарственного средства. Методы, основанные на физической теории, как правило, используют термодинамические циклы – концепцию из классической термодинамики. Два наиболее распространенных термодинамических цикла включают либо расчет свободной энергии сублимации (переход из твердого состояния в газообразное без прохождения через жидкое состояние) и свободной энергии сольватации газообразной молекулы (переход из газообразного состояния в раствор), либо свободную энергию плавления (переход из твердого состояния в расплав) и свободную энергию смешивания (переход из расплава в раствор). Эти два процесса представлены на следующих схемах. Эти циклы использовались для попыток прогнозирования на основе первых принципов (решения с использованием фундаментальных физических уравнений) с применением физически обоснованных моделей растворителей. Сначала приводится исходная формула, а затем – пересмотренная формула, основанная на ином предположении о полной смешиваемости в октаноле. Эти уравнения основаны на принципах цикла плавления.