Einführung in die Chemie

Begriffe

• HydratationswärmeDie Wärme, die bei der Hydratation von einem Mol Ionen bei konstantem Druck freigesetzt wird. Je mehr das Ion hydratisiert wird, desto mehr Wärme wird freigesetzt.
• IonEin Atom oder eine Gruppe von Atomen, die eine elektrische Ladung tragen, wie die Natrium- und Chloratome in einer Salzlösung.
• ThermodynamikDie Wissenschaft von den Umwandlungen zwischen Wärme und anderen Energieformen.

Die Energetik der Lösungsbildung

Die Löslichkeit hängt von der Auflösung des gelösten Stoffes im Lösungsmittel ab und unterliegt, wie alle chemischen Reaktionen, den Gesetzen der Thermodynamik. Dieser besondere Prozess ist eine Zustandsänderung vom festen, flüssigen oder gasförmigen Ausgangszustand des gelösten Stoffes in einen gelösten Zustand (wässrig, wenn das Lösungsmittel Wasser ist), der einen anderen physikalischen Zustand darstellt und daher als chemische Reaktion betrachtet wird. Damit eine chemische Reaktion ablaufen kann, muss sie thermodynamisch günstig sein. Viele Faktoren beeinflussen, wie thermodynamisch günstig eine bestimmte Reaktion ist, darunter die Hydratationswärme oder die Hydratationsenergie, die freigesetzt wird, wenn Wasser ein Ion solvatisiert oder umgibt, und die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Anziehungskräfte zwischen den gelösten Molekülen zu überwinden, die als Gitterenergie bezeichnet wird.

Wechselwirkungen zwischen Lösemitteln und gelösten Stoffen

Da die coulombschen Kräfte, die Ionen und hochpolare Moleküle in Feststoffen binden, ziemlich stark sind, könnte man erwarten, dass diese Feststoffe in den meisten Lösungsmitteln unlöslich sind. Die anziehenden Wechselwirkungen zwischen ionischen Molekülen werden als Gitterenergie bezeichnet und müssen überwunden werden, damit sich eine Lösung bilden kann. Ionische Feststoffe sind in den meisten nichtwässrigen Lösungsmitteln unlöslich, aber sie neigen dazu, speziell in Wasser eine hohe Löslichkeit aufzuweisen.

Der Schlüsselfaktor, der die Löslichkeit bestimmt, ist die Wechselwirkung der Ionen mit dem Lösungsmittel. Die elektrisch geladenen Ionen gehen Ionen-Dipol-Wechselwirkungen mit Wasser ein, um die starke coulombische Anziehung zu überwinden, wodurch eine wässrige Lösung entsteht. Das Wassermolekül ist polar, d. h. es ist an den Wasserstoffen teilweise positiv geladen, während der Sauerstoff teilweise negativ geladen ist. Dieser Dipol ergibt sich aus der unterschiedlichen Elektronegativität der O-H-Bindungen innerhalb des Wassermoleküls. Außerdem tragen die beiden einsamen Paare des Sauerstoffs im Wasser zur Stabilisierung positiv geladener Ionen in Lösung bei.

Folglich sind Ionen in wässrigen Lösungen immer hydratisiert, d. h. sie sind durch Ionen-Dipol-Wechselwirkungen recht fest an Wassermoleküle gebunden. Die Anzahl der Wassermoleküle in der primären Hydratationsschale, die das Ion vollständig umschließt, variiert mit dem Radius und der Ladung des Ions.

Gitterenergie

Die Auflösung eines ionischen Feststoffs MX in Wasser kann als eine Abfolge von zwei Prozessen betrachtet werden:

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

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

Die erste Reaktion (Ionisation) ist immer endotherm; es kostet viel Arbeit, ein ionisches Kristallgitter in seine Einzelionen aufzulösen. Die Gitterenergie ist definiert als die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Mol eines ionischen Festkörpers aus gasförmigen Ionen gebildet wird, und sie steigt mit zunehmender atomarer Ladung und abnehmender atomarer Größe (Radien). Je höher der Wert der Gitterenergie einer Verbindung ist, desto größer ist die Kraft, die zur Überwindung der coulombschen Anziehung erforderlich ist. Tatsächlich sind einige Verbindungen aufgrund ihrer hohen Gitterenergien, die nicht überwunden werden können, um eine Lösung zu bilden, streng unlöslich.

Hydratationswärme (Hhydratation) im Vergleich zur Gitterenergie

Der Hydratationsschritt in der zweiten Reaktion ist immer exotherm (Hhydratation < 0), da H2O-Moleküle in das elektrostatische Feld des Ions gezogen werden. Die Lösungswärme (Hsolution) ist die Summe der Gitter- und Hydratationsenergie (Hsolution = Hhydration + Hlattice energy). Aus dieser Beziehung geht klar hervor, dass die Prozesse der Überwindung der Gitterenergie und der Hydratation der Ionen miteinander konkurrieren.

Der Wert von Hsolution hängt von der Größe der Hhydratations- und Hl-Gitterenergie des gelösten Stoffes ab. Günstige Bedingungen für die Lösungsbildung sind typischerweise mit einem negativen Wert von Hsolution verbunden; dies ergibt sich daraus, dass der Hydratationsprozess die Gitterenergie des gelösten Stoffes übersteigt. Wie häufig bei einer Größe, die sich aus der Summe zweier großer Terme mit entgegengesetzten Vorzeichen ergibt, kann der gesamte Lösungsprozess entweder endotherm oder exotherm sein. Hsolution ist nur einer der Faktoren, die für die Lösungsbildung ausschlaggebend sind, aber sie ist in der Regel der wichtigste Faktor bei der Lösungsbildung, da die Enthalpie bei den meisten thermodynamischen Überlegungen eine Rolle spielt.

Die durchschnittliche Zeit, die ein Ion in einer Hydratationsschale verbringt, beträgt etwa zwei bis vier Nanosekunden, was etwa zwei Größenordnungen länger ist als die Lebensdauer einer einzelnen H2O-H2O-Wasserstoffbindung. Die relative Stärke dieser beiden intermolekularen Kräfte ist offensichtlich: Ion-Dipol-Wechselwirkungen sind stärker als Wasserstoffbrückenbindungen.

Wenn Sie sich fragen, woher wir den Begriff „Hydratationswärme“ haben, so hat dies mit der Tatsache zu tun, dass einige Lösungen bei ihrer Bildung stark exotherm sind. Eine heiße Lösung entsteht, wenn die Hydratationswärme viel größer ist als die Gitterenergie des gelösten Stoffes.