Tutustuminen kemiaan

Termit

• hydrataatiolämpöLämpö, joka vapautuu, kun yksi mooli ioneja hydratoituu vakiopaineessa. Mitä enemmän ionia hydratoidaan, sitä enemmän lämpöä vapautuu.
• ioniAtomi tai atomiryhmä, jolla on sähkövaraus, kuten natrium- ja klooriatomit suolaliuoksessa.
• termodynamiikkaTiede lämmön ja muiden energiamuotojen välisistä muunnoksista.

Liuoksen muodostumisen energetiikka

Liukoisuus riippuu liuenneen aineen liukenemisesta liuottimeen ja sitä, kuten kaikkia kemiallisia reaktioita, säätelevät termodynamiikan lait. Tämä erityinen prosessi on tilamuutos liuenneen aineen lähtötilasta, joko kiinteästä, nestemäisestä tai kaasumaisesta, liuenneeseen tilaan (jota kutsutaan vesiliuokseksi, kun liuottimena on vesi), joka on erillinen fysikaalinen tila ja jota siten pidetään kemiallisena reaktiona. Jotta kemiallinen reaktio voisi edetä, sen on oltava termodynaamisesti suotuisa. Monet tekijät vaikuttavat siihen, kuinka termodynaamisesti suotuisa tietty reaktio on, mukaan lukien hydrataatiolämpö eli hydrataatioenergia, joka vapautuu, kun vesi liuottaa tai ympäröi ionin, ja energiamäärä, joka tarvitaan liuenneiden molekyylien välisten vetovoimien voittamiseen, jota kutsutaan ristikon energiaksi.

Liuottimen ja liuenneen aineen väliset vuorovaikutussuhteet

Koska coulombiset voimat, jotka sitovat ioneja ja vahvasti polaarisia molekyylejä kiinteisiin aineisiin, ovat melko voimakkaita, voisimme olettaa, että tällaiset kiinteät aineet ovat liukenemattomia suurimpaan osaan liuotinta. Ionimolekyylien välisiä vetovoimavuorovaikutuksia kutsutaan ristikon energiaksi, ja ne on voitettava, jotta liuos muodostuisi. Ioniset kiinteät aineet ovat liukenemattomia useimpiin muihin kuin vesipitoisiin liuottimiin, mutta niillä on yleensä suuri liukoisuus erityisesti veteen.

Keskeinen liukoisuuden määräävä tekijä on ionien vuorovaikutus liuottimen kanssa. Sähköisesti varatut ionit joutuvat ionidipolivuorovaikutukseen veden kanssa voittaakseen vahvan coulombisen vetovoiman, ja tämä tuottaa vesiliuoksen. Vesimolekyyli on polaarinen; sillä on osittainen positiivinen varaus vesigeeneissä, kun taas hapella on osittainen negatiivinen varaus. Tämä dipoli syntyy vesimolekyylin O-H-sidosten erilaisesta elektronegatiivisuudesta. Lisäksi veden hapen kaksi yksinäistä paria osallistuvat myös kaikkien positiivisesti varautuneiden ionien stabilointiin liuoksessa.

Sen seurauksena ionit vesiliuoksissa ovat aina hydratoituneita; toisin sanoen ne ovat melko tiukasti sidottuja vesimolekyyleihin ioni-dipoli-vuorovaikutusten kautta. Ionia kokonaan ympäröivän primäärisen hydrataatiokuoren sisältämien vesimolekyylien määrä vaihtelee ionin säteen ja varauksen mukaan.

Ristikon energia

Ionisen kiinteän aineen MX liukeneminen veteen voidaan ajatella kahden prosessin sekvenssinä:

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

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

Ensimmäinen reaktio (ionisoituminen) on aina endoterminen; ionisen kideruudun hajottaminen komponentti-ioneiksi vaatii paljon työtä. Lattice energy määritellään energiaksi, joka vapautuu, kun yksi mooli ionista kiinteää ainetta muodostuu kaasumaisista ioneista, ja se kasvaa atomivarauksen kasvaessa ja atomikoon (säteiden) pienentyessä. Mitä suurempi on yhdisteen ristikkoenergian arvo, sitä suurempi voima tarvitaan coulombisen vetovoiman voittamiseen. Itse asiassa jotkin yhdisteet ovat tiukasti liukenemattomia johtuen niiden korkeista ristikkoenergioista, joita ei voida voittaa liuoksen muodostamiseksi.

Hydratoitumislämpö (Hhydratoituminen) vs. ristikkoenergia

Kakkosreaktion hydratoitumisvaihe on aina eksoterminen (Hhydratoituminen < 0), sillä H2O-molekyylit vetävät puoleensa ionin sähköstaattista kenttää. Liuoksen lämpö (entalpia) (Hsolution) on ristikon ja hydrataation energioiden summa ( Hsolution = Hhydrataatio + Hlattice energy). Tästä suhteesta nähdään selvästi, että ristikkoenergian voittamisen ja ionien hydratoitumisen prosessit kilpailevat keskenään.

Hsoluution arvo on riippuvainen liuenneen aineen Hhydraatio- ja H ristikkoenergian suuruuksista. Liuoksen muodostumiselle suotuisat olosuhteet sisältävät tyypillisesti Hsolutionin negatiivisen arvon; tämä johtuu siitä, että hydrataatioprosessi ylittää liuenneen aineen ristikkoenergian. Kuten usein tapahtuu suureelle, joka on kahden vastakkaisen merkin omaavan suuren termin summa, liukenemisprosessi voi olla kokonaisuudessaan joko endoterminen tai eksoterminen. Hsoluutio on vain yksi liuoksen muodostumisen määräävistä tekijöistä, mutta se on tyypillisesti tärkein näkökohta liuoksen muodostumisessa, koska entalpialla on suuri merkitys useimmissa termodynaamisissa tarkasteluissa.

Ionin keskimääräinen aika hydrataatiokuoressa on noin 2-4 nanosekuntia, mikä on noin kaksi kertaluokkaa pidempi kuin yksittäisen H2O-H2O-vetysidoksen elinikä. Näiden kahden molekyylien välisen voiman suhteellinen vahvuus on ilmeinen: ionidipolivuorovaikutukset ovat vahvempia kuin vetysidosvuorovaikutukset.

Siltä varalta, että ihmettelit, mistä saimme termin ”hydrataatiolämpö”, se liittyy siihen, että jotkin liuokset ovat muodostuessaan erittäin eksotermisiä. Kuuma liuos syntyy, kun hydrataatiolämpö on paljon suurempi kuin liuenneen aineen hilan energia.