Introduction à la chimie

Termes

• chaleur d’hydratationLa chaleur qui est libérée par l’hydratation d’une mole d’ions à une pression constante. Plus l’ion est hydraté, plus la chaleur est libérée.
• ionAtome ou groupe d’atomes portant une charge électrique, comme les atomes de sodium et de chlore dans une solution saline.
• thermodynamiqueScience des conversions entre la chaleur et d’autres formes d’énergie.

L’énergétique de la formation des solutions

La solubilité dépend de la dissolution du soluté dans le solvant et, comme toutes les réactions chimiques, est régie par les lois de la thermodynamique. Ce processus particulier est un changement d’état, de l’état de départ du soluté, soit solide, liquide ou gazeux, à un état dissous (appelé aqueux lorsque le solvant est de l’eau), qui est un état physique distinct et est donc considéré comme une réaction chimique. Pour qu’une réaction chimique puisse avoir lieu, elle doit être thermodynamiquement favorable. De nombreux facteurs influencent la façon dont une réaction donnée est thermodynamiquement favorable, y compris la chaleur d’hydratation, ou l’énergie d’hydratation libérée lorsque l’eau solvate, ou entoure, un ion, et la quantité d’énergie nécessaire pour surmonter les forces d’attraction entre les molécules de soluté, connue sous le nom d’énergie de réseau.

Interactions solvant-soluté

Puisque les forces coulombiennes qui lient les ions et les molécules hautement polaires dans les solides sont assez fortes, nous pourrions nous attendre à ce que ces solides soient insolubles dans la plupart des solvants. Les interactions attractives entre les molécules ioniques sont appelées l’énergie de réseau, et elles doivent être surmontées pour qu’une solution se forme. Les solides ioniques sont insolubles dans la majorité des solvants non aqueux, mais ils ont tendance à avoir une solubilité élevée spécifiquement dans l’eau.

Le facteur clé qui détermine la solubilité est l’interaction des ions avec le solvant. Les ions chargés électriquement subissent des interactions ion-dipôle avec l’eau pour surmonter la forte attraction coulombienne, et cela produit une solution aqueuse. La molécule d’eau est polaire ; elle a une charge positive partielle sur les hydrogènes tandis que l’oxygène porte une charge négative partielle. Ce dipôle provient de la disparité de l’électronégativité présente dans les liaisons O-H au sein de la molécule d’eau. De plus, les deux paires solitaires sur l’oxygène dans l’eau contribuent également à la stabilisation de tout ion chargé positivement en solution.

En conséquence, les ions dans les solutions aqueuses sont toujours hydratés, c’est-à-dire qu’ils sont assez étroitement liés aux molécules d’eau par des interactions ion-dipôle. Le nombre de molécules d’eau contenues dans la coquille d’hydratation primaire, qui englobe complètement l’ion, varie avec le rayon et la charge de l’ion.

Énergie du réseau

La dissolution d’un solide ionique MX dans l’eau peut être considérée comme une séquence de deux processus :

1) MX (s) \à M^+ (g) + X^-(g)

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

La première réaction (ionisation) est toujours endothermique ; il faut beaucoup de travail pour briser un réseau cristallin ionique en ses ions composants. L’énergie de la maille est définie comme l’énergie qui est libérée lorsqu’une mole de solide ionique est formée à partir d’ions gazeux, et elle augmente avec l’augmentation de la charge atomique et la diminution de la taille atomique (rayons). Plus la valeur de l’énergie de réseau d’un composé est élevée, plus la force nécessaire pour surmonter l’attraction coulombienne est importante. En fait, certains composés sont strictement insolubles en raison de leurs énergies de réseau élevées qui ne peuvent être surmontées pour former une solution.

Chaleur d’hydratation (Hhydration) vs énergie de réseau

L’étape d’hydratation de la deuxième réaction est toujours exothermique (Hhydration < 0) car les molécules d’H2O sont attirées dans le champ électrostatique de l’ion. La chaleur (enthalpie) de la solution (Hsolution) est la somme des énergies du réseau et de l’hydratation ( Hsolution = Hhydration + Hénergie du réseau). A partir de cette relation, on voit clairement que les processus de dépassement de l’énergie de réseau et d’hydratation des ions sont en compétition l’un avec l’autre.

La valeur de Hsolution dépend des magnitudes de Hhydratation et de Hénergie de réseau du soluté. Les conditions favorables à la formation d’une solution impliquent généralement une valeur négative de Hsolution ; cela provient du fait que le processus d’hydratation dépasse l’énergie du réseau dans le soluté. Comme c’est souvent le cas pour une quantité qui est la somme de deux grands termes de signes opposés, le processus global de dissolution peut être soit endothermique, soit exothermique. L’Hsolution n’est qu’un des facteurs déterminant la formation d’une solution, mais c’est généralement la considération majeure dans la formation d’une solution en raison du rôle que joue l’enthalpie dans la plupart des considérations thermodynamiques.

Le temps moyen qu’un ion passe dans une coquille d’hydratation est d’environ deux à quatre nanosecondes, ce qui est environ deux ordres de grandeur plus long que la durée de vie d’une liaison hydrogène individuelle H2O-H2O. Les forces relatives de ces deux forces intermoléculaires sont apparentes : les interactions ion-dipôle sont plus fortes que les interactions de liaison hydrogène.

Au cas où vous vous demanderiez d’où nous vient l’expression « chaleur d’hydratation », elle est liée au fait que certaines solutions sont fortement exothermiques lorsqu’elles se forment. Une solution chaude résulte lorsque la chaleur d’hydratation est beaucoup plus grande que l’énergie de réseau du soluté.

.