Bevezetés a kémiába

Kifejezések

• hidratációs hőA hő, amely egy mól ion hidratációja során állandó nyomáson felszabadul. Minél több ion hidratálódik, annál több hő szabadul fel.
• ionElektromos töltéssel rendelkező atom vagy atomcsoport, például a sóoldatban lévő nátrium- és klóratomok.
• termodinamikaA hő és más energiaformák közötti átalakulások tudománya.

Az oldatképződés energetikája

Az oldódás az oldott anyag oldószerben való oldódásától függ, és mint minden kémiai reakciót, a termodinamika törvényei szabályozzák. Ez a konkrét folyamat az oldott anyag kiindulási állapotából – szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotból – az oldott (vizesnek nevezett, ha az oldószer víz) állapotba történő állapotváltozást jelenti, ami egy külön fizikai állapot, és így kémiai reakciónak tekinthető. Ahhoz, hogy egy kémiai reakció végbemehessen, termodinamikailag kedvezőnek kell lennie. Számos tényező befolyásolja, hogy egy adott reakció termodinamikailag mennyire kedvező, többek között a hidratációs hő, vagyis a hidratációs energia, amely akkor szabadul fel, amikor a víz szolvál, vagyis körülvesz egy iont, valamint az oldott molekulák közötti vonzóerők, az úgynevezett rácsenergia legyőzéséhez szükséges energia mennyisége.

Az oldószer-oldószer kölcsönhatások

Mivel az ionokat és az erősen poláros molekulákat szilárd anyagokban megkötő coulombikus erők meglehetősen erősek, arra számíthatunk, hogy ezek a szilárd anyagok a legtöbb oldószerben oldhatatlanok. Az ionmolekulák közötti vonzó kölcsönhatásokat rácsenergiának nevezzük, és ezeket le kell győzni ahhoz, hogy oldat alakuljon ki. Az ionos szilárd anyagok a legtöbb nem vizes oldószerben oldhatatlanok, de kifejezetten vízben általában nagy az oldhatóságuk.

Az oldhatóságot meghatározó kulcstényező az ionok és az oldószer kölcsönhatása. Az elektromosan töltött ionok az erős coulombikus vonzás leküzdése érdekében ion-dipólus kölcsönhatásba lépnek a vízzel, és ez vizes oldatot eredményez. A vízmolekula poláros; részleges pozitív töltéssel rendelkezik a hidrogéneken, míg az oxigén részleges negatív töltést hordoz. Ez a dipólus a vízmolekulán belüli O-H kötések eltérő elektronegativitásából adódik. Ezenkívül a víz oxigénjén lévő két magányos pár is hozzájárul az oldatban lévő pozitív töltésű ionok stabilizálásához.

Ezek következtében a vizes oldatokban lévő ionok mindig hidratáltak, azaz ion-dipólus kölcsönhatások révén meglehetősen szorosan kötődnek a vízmolekulákhoz. Az iont teljesen körülvevő elsődleges hidratációs héjban lévő vízmolekulák száma az ion sugarától és töltésétől függően változik.

Rácsos energia

Az MX ionos szilárd anyag vízben való oldódása két folyamat sorozataként képzelhető el:

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

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

Az első reakció (ionizáció) mindig endoterm; egy ionos kristályrácsnak az alkotóionokra való felbontása sok munkát igényel. A rácsenergia az az energia, amely akkor szabadul fel, amikor egy mol ionos szilárd anyag gázionokból keletkezik, és az atomtöltés növekedésével és az atomméret (sugár) csökkenésével nő. Minél nagyobb egy vegyület rácsenergiájának értéke, annál nagyobb erő szükséges a coulombikus vonzás leküzdéséhez. Valójában egyes vegyületek szigorúan oldhatatlanok a magas rácsenergiájuk miatt, amelyet nem lehet leküzdeni az oldat kialakításához.

Hidratációs hő (Hhidratáció) vs. rácsenergia

A második reakció hidratációs lépése mindig exoterm (Hhidratáció < 0), mivel a H2O molekulákat az ion elektrosztatikus mezeje vonzza. Az oldódás hője (entalpia) (Holdódás) a rács- és hidratációs energiák összege ( Holdódás = Hhidratáció + Hrács-energia). Ebből az összefüggésből világosan látható, hogy a rácsenergia leküzdésének és az ionok hidratálásának folyamatai egymással versengenek.

A Holdalék értéke az oldott anyag Hhidratációs és Hrácsos energiájának nagyságától függ. Az oldatképződés kedvező feltételei jellemzően a Holdat negatív értékével járnak; ez abból adódik, hogy a hidratációs folyamat meghaladja az oldott anyag rácsenergiáját. Ahogyan az gyakran előfordul egy olyan mennyiség esetében, amely két ellentétes előjelű nagy kifejezés összege, a teljes oldódási folyamat lehet endoterm vagy exoterm. A Holdás csak egy az oldódás kialakulását meghatározó tényezők közül, de jellemzően ez a fő szempont az oldódás kialakulásában, mivel az entalpia a legtöbb termodinamikai megfontolásban szerepet játszik.

Az átlagos idő, amit egy ion a hidratációs héjban tölt, körülbelül 2-4 nanoszekundum, ami körülbelül két nagyságrenddel hosszabb, mint egy egyedi H2O-H2O hidrogénkötés élettartama. E két molekulaközi erő relatív erőssége nyilvánvaló: az ion-dipol kölcsönhatások erősebbek, mint a hidrogénkötés kölcsönhatásai.

Ha esetleg kíváncsiak lennének, honnan származik a “hidratációs hő” kifejezés, annak köze van ahhoz, hogy egyes oldatok képződésükkor erősen exotermek. Forró oldat akkor keletkezik, ha a hidratációs hő sokkal nagyobb, mint az oldott anyag rácsenergiája.