Indledning til kemi

Termer

• hydreringsvarmeDen varme, der frigives ved hydrering af et mol ioner ved et konstant tryk. Jo mere ionen hydreres, jo mere varme frigives.
• ionEt atom eller en gruppe af atomer, der bærer en elektrisk ladning, som f.eks. natrium- og kloratomer i en saltopløsning.
• termodynamikVidenskaben om omdannelser mellem varme og andre former for energi.

Energetikken ved opløsningsdannelse

Løselighed afhænger af opløsningsstoffets opløsning i opløsningsmidlet og er ligesom alle kemiske reaktioner styret af termodynamikkens love. Denne særlige proces er en tilstandsændring fra opløserens starttilstand, enten fast, flydende eller gas, til en opløst tilstand (betegnet vandig, når opløsningsmidlet er vand), som er en særskilt fysisk tilstand og derfor betragtes som en kemisk reaktion. For at en kemisk reaktion kan finde sted, skal den være termodynamisk gunstig. Mange faktorer har indflydelse på, hvor termodynamisk gunstig en given reaktion er, herunder hydreringsvarmen eller hydreringsenergien, der frigives, når vand solvaterer eller omgiver en ion, og den mængde energi, der kræves for at overvinde de tiltrækkende kræfter mellem opløste molekyler, kendt som gitterenergi.

Solvent-opløst-interaktioner

Da de coulombiske kræfter, der binder ioner og meget polære molekyler i faste stoffer, er ret stærke, kan vi forvente, at disse faste stoffer er uopløselige i de fleste opløsningsmidler. De tiltrækkende vekselvirkninger mellem ioniske molekyler kaldes gitterenergien, og de skal overvindes, for at der kan dannes en opløsning. Ioniske faste stoffer er uopløselige i de fleste ikke-vandige opløsningsmidler, men de har tendens til at have en høj opløselighed specielt i vand.

Den vigtigste faktor, der bestemmer opløseligheden, er ionernes vekselvirkning med opløsningsmidlet. De elektrisk ladede ioner gennemgår ion-dipolinteraktioner med vand for at overvinde den stærke coulombiske tiltrækning, og dette giver en vandig opløsning. Vandmolekylet er polært; det har en delvis positiv ladning på hydrogenerne, mens ilt har en delvis negativ ladning. Denne dipol opstår på grund af forskellen i elektronegativitet i O-H-bindingerne i vandmolekylet. Desuden bidrager de to ensomme par på ilten i vand også til stabiliseringen af eventuelle positivt ladede ioner i opløsningen.

Som følge heraf er ioner i vandige opløsninger altid hydrerede; det vil sige, at de er ret tæt bundet til vandmolekyler via ion-dipolinteraktioner. Antallet af vandmolekyler, der er indeholdt i den primære hydreringsskal, som helt omslutter ionen, varierer med ionens radius og ladning.

Gitterenergi

Opløsningen af et ionisk fast stof MX i vand kan opfattes som en sekvens af to processer:

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

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

Den første reaktion (ionisering) er altid endotermisk; det kræver meget arbejde at bryde et ionisk krystalgitter op i de ioner, der indgår i det. Gitterenergi defineres som den energi, der frigøres, når et mol ionisk fast stof dannes fra gasformige ioner, og den stiger med stigende atomladning og faldende atomstørrelse (radius). Jo større værdien af en forbindelses gitterenergi er, jo større er den kraft, der kræves for at overvinde coulombisk tiltrækning. Faktisk er nogle forbindelser strengt uopløselige på grund af deres høje gitterenergier, som ikke kan overvindes for at danne en opløsning.

Hydreringsvarme (Hhydrering) vs. gitterenergi

Hydreringsskridtet i den anden reaktion er altid exotermisk (Hhydrering < 0), da H2O-molekyler tiltrækkes ind i ionens elektrostatiske felt. Opløsningsvarmen (enthalpi) (Hsolution) er summen af gitter- og hydreringsenergien ( Hsolution = Hhydration + Hlattice-energi). Af denne relation kan vi tydeligt se, at processerne med at overvinde gitterenergien og hydreringen af ionerne konkurrerer med hinanden.

Værdien af Hsolution afhænger af størrelserne af Hhydrerings- og Hlattice-energien for den opløste stofmængde. Gunstige betingelser for opløsningsdannelse indebærer typisk en negativ værdi af Hsolution; dette opstår, fordi hydreringsprocessen overstiger gitterenergien i den opløste stofmængde. Som det ofte sker for en størrelse, der er summen af to store termer med modsat fortegn, kan den samlede opløsningsproces være enten endotermisk eller exotermisk. Hsolution er blot en af de faktorer, der bestemmer opløsningsdannelsen, men det er typisk den vigtigste overvejelse ved opløsningsdannelsen på grund af den rolle, som enthalpien spiller i de fleste termodynamiske overvejelser.

Den gennemsnitlige tid, som en ion tilbringer i en hydreringsskal, er ca. to til fire nanosekunder, hvilket er ca. to størrelsesordener længere end levetiden for en individuel H2O-H2O hydrogenbinding. Den relative styrke af disse to intermolekylære kræfter er tydelig: ion-dipolinteraktioner er stærkere end hydrogenbindingsinteraktioner.

Hvis du undrer dig over, hvor vi har fået udtrykket “hydreringsvarme” fra, har det at gøre med det faktum, at nogle opløsninger er stærkt eksoterme, når de dannes. En varm opløsning opstår, når hydreringsvarmen er meget større end gitterenergien for den opløste stofmængde.