Introduzione alla chimica

Termini

• calore di idratazioneIl calore che viene rilasciato dall’idratazione di una mole di ioni ad una pressione costante. Più lo ione è idratato, più calore viene rilasciato.
• ioneUn atomo o un gruppo di atomi con una carica elettrica, come gli atomi di sodio e cloro in una soluzione di sale.
• termodinamicaLa scienza delle conversioni tra calore e altre forme di energia.

L’energetica della formazione delle soluzioni

La solubilità dipende dalla dissoluzione del soluto nel solvente e, come tutte le reazioni chimiche, è governata dalle leggi della termodinamica. Questo particolare processo è un cambiamento di stato dallo stato di partenza del soluto, solido, liquido o gas, allo stato dissolto (chiamato acquoso quando il solvente è l’acqua), che è uno stato fisico distinto e quindi è considerato una reazione chimica. Affinché qualsiasi reazione chimica proceda, deve essere termodinamicamente favorevole. Molti fattori influenzano quanto sia termodinamicamente favorevole una data reazione, compreso il calore di idratazione, o l’energia di idratazione rilasciata quando l’acqua solva, o circonda, uno ione, e la quantità di energia richiesta per superare le forze attrattive tra le molecole del soluto, note come energia di reticolo.

Interazioni solvente-soluto

Siccome le forze coulombiane che legano gli ioni e le molecole altamente polari nei solidi sono abbastanza forti, ci si potrebbe aspettare che questi solidi siano insolubili nella maggior parte dei solventi. Le interazioni attrattive tra le molecole ioniche sono chiamate energia di reticolo, e devono essere superate perché si formi una soluzione. I solidi ionici sono insolubili nella maggior parte dei solventi non acquosi, ma tendono ad avere un’alta solubilità specialmente in acqua.

Il fattore chiave che determina la solubilità è l’interazione degli ioni con il solvente. Gli ioni elettricamente carichi subiscono interazioni ione-dipolo con l’acqua per superare la forte attrazione coulombiana, e questo produce una soluzione acquosa. La molecola dell’acqua è polare; ha una parziale carica positiva sugli idrogeni mentre l’ossigeno ha una parziale carica negativa. Questo dipolo deriva dalla disparità di elettronegatività presente nei legami O-H all’interno della molecola d’acqua. Inoltre, le due coppie solitarie sull’ossigeno nell’acqua contribuiscono anche alla stabilizzazione di qualsiasi ione con carica positiva in soluzione.

Di conseguenza, gli ioni nelle soluzioni acquose sono sempre idratati; cioè, sono abbastanza strettamente legati alle molecole d’acqua attraverso interazioni ionodipolo. Il numero di molecole d’acqua contenute nel guscio primario di idratazione, che ingloba completamente lo ione, varia con il raggio e la carica dello ione.

Lattice Energy

La dissoluzione di un solido ionico MX in acqua può essere pensato come una sequenza di due processi:

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

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

La prima reazione (ionizzazione) è sempre endotermica; ci vuole molto lavoro per rompere un reticolo cristallino ionico nei suoi ioni componenti. L’energia del reticolo è definita come l’energia che viene rilasciata quando una mole di solido ionico si forma da ioni gassosi, e aumenta con l’aumentare della carica atomica e la diminuzione della dimensione atomica (raggi). Maggiore è il valore dell’energia di reticolo di un composto, maggiore è la forza richiesta per superare l’attrazione coulombiana. Infatti, alcuni composti sono strettamente insolubili a causa delle loro alte energie di reticolo che non possono essere superate per formare una soluzione.

Calore di idratazione (Hhydration) vs energia di reticolo

La fase di idratazione nella seconda reazione è sempre esotermica (Hhydration < 0) poiché le molecole di H2O sono attratte nel campo elettrostatico dello ione. Il calore (entalpia) di soluzione (Hsolution) è la somma delle energie di reticolo e di idratazione ( Hsolution = Hhydration + Hlattice energy). Da questa relazione, possiamo vedere chiaramente che i processi di superamento dell’energia del reticolo e di idratazione degli ioni sono in competizione tra loro.

Il valore di Hsolution dipende dalle grandezze di Hhydration e Hlattice energy del soluto. Le condizioni favorevoli per la formazione della soluzione comportano tipicamente un valore negativo di Hsolution; ciò si verifica perché il processo di idratazione supera l’energia reticolare nel soluto. Come spesso accade per una quantità che è la somma di due grandi termini di segno opposto, il processo complessivo di dissoluzione può essere sia endotermico che esotermico. Hsolution è solo uno dei fattori che determinano la formazione della soluzione, ma è tipicamente la considerazione principale nella formazione della soluzione a causa del ruolo che l’entalpia gioca nella maggior parte delle considerazioni termodinamiche.

Il tempo medio che uno ione passa in un guscio di idratazione è di circa due a quattro nanosecondi, che è circa due ordini di grandezza più lungo della durata di un singolo legame idrogeno H2O-H2O. La forza relativa di queste due forze intermolecolari è evidente: le interazioni ione-dipolo sono più forti delle interazioni dei legami a idrogeno.

Nel caso vi stiate chiedendo da dove abbiamo preso il termine “calore di idratazione”, ha a che fare con il fatto che alcune soluzioni sono altamente esotermiche quando si formano. Una soluzione calda risulta quando il calore di idratazione è molto maggiore dell’energia reticolare del soluto.