Introdução à Química

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Termos

• aquecimento da hidrataçãoO calor que é libertado pela hidratação de uma molécula de iões a uma pressão constante. Quanto mais o íon é hidratado, mais calor é liberado.
• ionUm átomo ou grupo de átomos contendo uma carga elétrica, como os átomos de sódio e cloro em uma solução salina.
• thermodynamicsA ciência das conversões entre o calor e outras formas de energia.

A Energia da Formação de Soluções

Solubilidade depende da dissolução do soluto no solvente e, como todas as reacções químicas, é regida pelas leis da termodinâmica. Este processo particular é uma mudança de estado do estado inicial do soluto, seja sólido, líquido ou gasoso, para um estado dissolvido (denominado aquoso quando o solvente é água), que é um estado físico distinto e, portanto, é considerado uma reação química. Para que qualquer reacção química possa prosseguir, deve ser termodinamicamente favorável. Muitos fatores influenciam como uma determinada reação é termodinamicamente favorável, incluindo o calor da hidratação, ou energia de hidratação liberada quando a água solvente, ou circunda, um íon, e a quantidade de energia necessária para superar as forças atraentes entre as moléculas do soluto, conhecidas como energia de malha.

Interações Solvente-Soluto

Desde que as forças coulombicas que ligam íons e moléculas altamente polares em sólidos são bastante fortes, podemos esperar que esses sólidos sejam insolúveis na maioria dos solventes. As atrativas interações entre moléculas iônicas são chamadas de energia da malha, e elas devem ser superadas para que uma solução se forme. Os sólidos iônicos são insolúveis na maioria dos solventes não aquosos, mas eles tendem a ter alta solubilidade especificamente em água.

O fator chave que determina a solubilidade é a interação dos íons com o solvente. Os íons carregados eletricamente sofrem interações íon-dipolo com a água para superar a forte atração coulombica, e isto produz uma solução aquosa. A molécula da água é polar; tem uma carga parcialmente positiva sobre os hidrogênios enquanto o oxigênio carrega uma carga parcialmente negativa. Este dipolo surge da disparidade de eletronegatividade presente nas ligações O-H dentro da molécula da água. Além disso, os dois pares solitários sobre o oxigênio na água também contribuem para a estabilização de quaisquer íons com carga positiva em solução.

Como consequência, os íons em soluções aquosas são sempre hidratados; ou seja, eles estão bastante ligados a moléculas de água através de interações íon-dipolo. O número de moléculas de água contidas na concha de hidratação primária, que engloba completamente o íon, varia com o raio e carga do íon.

Energia da camada de água

A dissolução de um MX sólido iônico na água pode ser pensada como uma seqüência de dois processos:

1) MX (s) ^+ (g) + X^-(g)

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

A primeira reação (ionização) é sempre endotérmica; é necessário muito trabalho para quebrar uma malha de cristal iônico em seus íons componentes. A energia da malha é definida como a energia que é liberada quando uma molécula de sólido iônico é formada por íons gasosos, e aumenta com o aumento da carga atômica e diminuição do tamanho atômico (raios). Quanto maior o valor da energia da malha de um composto, maior é a força necessária para superar a atração coulombica. Na verdade, alguns compostos são estritamente insolúveis devido às suas altas energias da malha que não podem ser superadas para formar uma solução.

Calor de Hidratação (Hhydration) vs Energia da Malha

O passo de hidratação na segunda reação é sempre exotérmico (Hhydration < 0) pois as moléculas de H2O são atraídas para o campo eletrostático do íon. O calor (entalpia) da solução (Hsolução) é a soma das energias da malha e da hidratação ( Hsolução = Hidratação + energia Hlattice). A partir desta relação, podemos ver claramente que os processos de superação da energia da malha e hidratação dos íons estão em competição entre si.

O valor de Hsolução depende da magnitude da Hidratação e da energia de Hlattice do soluto. As condições favoráveis para a formação da solução normalmente envolvem um valor negativo de Hsolução; isto surge porque o processo de hidratação excede a energia da malha do soluto. Como acontece frequentemente para uma quantidade que é a soma de dois grandes termos com sinais opostos, o processo global de dissolução pode ser endotérmico ou exotérmico. Hsolução é apenas um dos fatores que determinam a formação da solução, mas é tipicamente a principal consideração na formação da solução devido ao papel que a entalpia desempenha na maioria das considerações termodinâmicas.

O tempo médio que um íon gasta em uma concha de hidratação é de cerca de dois a quatro nanossegundos, o que é cerca de duas ordens de magnitude maior do que a vida útil de uma ligação de hidrogênio H2O-H2O individual. A força relativa dessas duas forças intermoleculares é aparente: as interações íon-dipolo são mais fortes do que as interações de ligação de hidrogênio.

No caso de você estar se perguntando onde conseguimos o termo “calor de hidratação”, tem a ver com o fato de que algumas soluções são altamente exotérmicas quando formadas. Uma solução quente resulta quando o calor de hidratação é muito maior que a energia da malha do soluto.