Introducción a la Química

Términos

• calor de hidrataciónEl calor que se libera por la hidratación de un mol de iones a una presión constante. Cuanto más se hidrata el ion, más calor se libera.
• IónUn átomo o grupo de átomos con carga eléctrica, como los átomos de sodio y cloro en una solución salina.
• TermodinámicaLa ciencia de las conversiones entre el calor y otras formas de energía.

La energía de la formación de soluciones

La solubilidad depende de la disolución del soluto en el disolvente y, como todas las reacciones químicas, se rige por las leyes de la termodinámica. Este proceso concreto es un cambio de estado desde el estado inicial del soluto, ya sea sólido, líquido o gaseoso, a un estado disuelto (denominado acuoso cuando el disolvente es agua), que es un estado físico distinto y, por tanto, se considera una reacción química. Para que cualquier reacción química se produzca, debe ser termodinámicamente favorable. Muchos factores influyen en lo termodinámicamente favorable que es una reacción dada, incluyendo el calor de hidratación, o la energía de hidratación liberada cuando el agua disuelve, o rodea, un ion, y la cantidad de energía requerida para superar las fuerzas de atracción entre las moléculas del soluto, conocida como energía de red.

Interacciones Solvente-Soluto

Dado que las fuerzas coulómbicas que unen los iones y las moléculas altamente polares en los sólidos son bastante fuertes, podríamos esperar que estos sólidos sean insolubles en la mayoría de los disolventes. Las interacciones atractivas entre las moléculas iónicas se denominan energía de red, y deben superarse para que se forme una solución. Los sólidos iónicos son insolubles en la mayoría de los disolventes no acuosos, pero suelen tener una alta solubilidad específicamente en el agua.

El factor clave que determina la solubilidad es la interacción de los iones con el disolvente. Los iones cargados eléctricamente sufren interacciones iónicas-dipolares con el agua para superar la fuerte atracción coulómbica, y esto produce una solución acuosa. La molécula de agua es polar; tiene una carga positiva parcial en los hidrógenos mientras que el oxígeno tiene una carga negativa parcial. Este dipolo surge de la disparidad de electronegatividad presente en los enlaces O-H dentro de la molécula de agua. Además, los dos pares solitarios del oxígeno en el agua también contribuyen a la estabilización de cualquier ion con carga positiva en la solución.

Como consecuencia, los iones en las soluciones acuosas siempre están hidratados; es decir, están bastante unidos a las moléculas de agua a través de interacciones ion-dipolo. El número de moléculas de agua contenidas en la cáscara de hidratación primaria, que abarca completamente el ion, varía con el radio y la carga del ion.

Energía de red

La disolución de un sólido iónico MX en agua puede considerarse como una secuencia de dos procesos:

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

2) M^+ (g) + X^-(g) \a M^+ (aq) + X^-(aq)

La primera reacción (ionización) es siempre endotérmica; se necesita mucho trabajo para romper una red cristalina iónica en sus iones componentes. La energía de red se define como la energía que se libera cuando se forma un mol de sólido iónico a partir de iones gaseosos, y aumenta con el aumento de la carga atómica y la disminución del tamaño atómico (radios). Cuanto mayor sea el valor de la energía de red de un compuesto, mayor será la fuerza necesaria para superar la atracción coulómbica. De hecho, algunos compuestos son estrictamente insolubles debido a sus altas energías de red que no pueden ser superadas para formar una solución.

Calor de Hidratación (Hhidratación) vs Energía de Red

El paso de hidratación en la segunda reacción es siempre exotérmico (Hhidratación < 0) ya que las moléculas de H2O son atraídas hacia el campo electrostático del ion. El calor (entalpía) de la solución (Hsolución) es la suma de las energías de red y de hidratación ( Hsolución = Hhidratación + Henergía de red). A partir de esta relación, podemos ver claramente que los procesos de superación de la energía de red y de hidratación de los iones compiten entre sí.

El valor de Hsolución depende de las magnitudes de la energía de red y de hidratación del soluto. Las condiciones favorables para la formación de la solución suelen implicar un valor negativo de Hsolución; esto surge porque el proceso de hidratación supera la energía de red del soluto. Como suele ocurrir con una cantidad que es la suma de dos grandes términos de signo contrario, el proceso global de disolución puede ser endotérmico o exotérmico. La Hsolución es sólo uno de los factores que determinan la formación de la solución, pero suele ser la principal consideración en la formación de la solución debido al papel que desempeña la entalpía en la mayoría de las consideraciones termodinámicas.

El tiempo medio que pasa un ion en una envoltura de hidratación es de unos dos a cuatro nanosegundos, lo que supone unos dos órdenes de magnitud más que el tiempo de vida de un enlace de hidrógeno H2O-H2O individual. La fuerza relativa de estas dos fuerzas intermoleculares es evidente: las interacciones ion-dipolo son más fuertes que las interacciones de enlace de hidrógeno.

En caso de que se pregunte de dónde hemos sacado el término «calor de hidratación», tiene que ver con el hecho de que algunas soluciones son altamente exotérmicas cuando se forman. Una solución caliente resulta cuando el calor de hidratación es mucho mayor que la energía de red del soluto.

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