Úvod do chemie

Termíny

• Heat of hydrationTeplo, které se uvolní při hydrataci jednoho molu iontů při konstantním tlaku. Čím více je iont hydratován, tím více tepla se uvolní.
• iontAtom nebo skupina atomů nesoucí elektrický náboj, například atomy sodíku a chloru v roztoku soli.
• termodynamikaNauka o přeměnách tepla a jiných forem energie.

Energetika tvorby roztoků

Rozpustnost závisí na rozpouštění rozpuštěné látky v rozpouštědle a stejně jako všechny chemické reakce se řídí zákony termodynamiky. Tento konkrétní proces je změnou stavu z výchozího stavu rozpuštěné látky, buď pevného, kapalného, nebo plynného, do stavu rozpuštěného (označovaného jako vodný, je-li rozpouštědlem voda), což je odlišný fyzikální stav, a proto se považuje za chemickou reakci. Aby mohla jakákoli chemická reakce probíhat, musí být termodynamicky příznivá. Na to, jak je daná reakce termodynamicky výhodná, má vliv mnoho faktorů, včetně hydratačního tepla neboli hydratační energie, která se uvolní, když voda rozpustí nebo obklopí iont, a množství energie potřebné k překonání přitažlivých sil mezi molekulami rozpuštěných látek, známé jako mřížková energie.

Interakce mezi rozpouštědlem a pevnou látkou

Protože coulombické síly, které vážou ionty a vysoce polární molekuly do pevných látek, jsou poměrně silné, můžeme očekávat, že tyto pevné látky budou ve většině rozpouštědel nerozpustné. Přitažlivé interakce mezi iontovými molekulami se nazývají mřížková energie a musí být překonány, aby se roztok vytvořil. Iontové pevné látky jsou nerozpustné ve většině nevodných rozpouštědel, ale mají tendenci mít vysokou rozpustnost právě ve vodě.

Klíčovým faktorem, který určuje rozpustnost, je interakce iontů s rozpouštědlem. Elektricky nabité ionty podléhají iontově-dipólovým interakcím s vodou, aby překonaly silnou coulombickou přitažlivost, a tím vzniká vodný roztok. Molekula vody je polární; má částečný kladný náboj na vodících, zatímco kyslík nese částečný záporný náboj. Tento dipól vzniká z rozdílné elektronegativity vazeb O-H v molekule vody. Kromě toho dva osamělé páry na kyslíku ve vodě také přispívají ke stabilizaci všech kladně nabitých iontů v roztoku.

V důsledku toho jsou ionty ve vodných roztocích vždy hydratované; to znamená, že jsou poměrně pevně vázány na molekuly vody prostřednictvím iontově-dipolových interakcí. Počet molekul vody obsažených v primárním hydratačním obalu, který zcela obklopuje iont, se mění s poloměrem a nábojem iontu.

Mřížková energie

Rozpouštění iontové pevné látky MX ve vodě si lze představit jako sled dvou procesů:

1) MX (s) \na M^+ (g) + X^-(g)

2). M^+ (g) + X^-(g) \na M^+ (aq) + X^-(aq)

První reakce (ionizace) je vždy endotermická; rozbití iontové krystalové mřížky na její složky – ionty – vyžaduje velkou práci. Mřížková energie je definována jako energie, která se uvolní při vzniku jednoho molu iontové pevné látky z plynných iontů, a roste s rostoucím atomovým nábojem a klesající velikostí atomů (poloměry). Čím větší je hodnota mřížkové energie sloučeniny, tím větší je síla potřebná k překonání coulombické přitažlivosti. Ve skutečnosti jsou některé sloučeniny přísně nerozpustné kvůli své vysoké mřížkové energii, kterou nelze překonat, aby se vytvořil roztok.

Heat of Hydration (Hhydration) vs Lattice Energy

Krok hydratace v druhé reakci je vždy exotermický (Hhydration < 0), protože molekuly H2O jsou přitahovány do elektrostatického pole iontu. Teplo (entalpie) roztoku (Hsolution) je součtem mřížkové a hydratační energie ( Hsolution = Hhydration + Hlattice energy). Z tohoto vztahu jasně vidíme, že procesy překonávání mřížkové energie a hydratace iontů si navzájem konkurují.

Velikost Hsolution závisí na velikosti Hhydration a Hlattice energy rozpuštěné látky. Příznivé podmínky pro vznik roztoku obvykle zahrnují zápornou hodnotu Hsolution; ta vzniká proto, že proces hydratace převyšuje mřížkovou energii v roztoku. Jak se často stává u veličiny, která je součtem dvou velkých členů s opačnými znaménky, celkový proces rozpouštění může být buď endotermický, nebo exotermický. Hsolution je pouze jedním z faktorů určujících vznik roztoku, ale obvykle je hlavním faktorem při vzniku roztoku, protože entalpie hraje roli ve většině termodynamických úvah.

Průměrná doba, kterou iont stráví v hydratačním obalu, je asi dvě až čtyři nanosekundy, což je asi o dva řády déle než doba života jednotlivé vodíkové vazby H2O-H2O. Relativní síla těchto dvou mezimolekulárních sil je zřejmá: iontově-dipolové interakce jsou silnější než interakce vodíkové vazby.

Pokud by vás zajímalo, kde jsme přišli k termínu „hydratační teplo“, souvisí to s tím, že některé roztoky jsou při vzniku vysoce exotermické. Horký roztok vzniká, když je hydratační teplo mnohem větší než mřížková energie rozpuštěné látky.

.