Inleiding tot de Scheikunde

Termen

• Warmte van hydratatieDe warmte die vrijkomt bij hydratatie van één mol ionen bij een constante druk. Hoe meer het ion gehydrateerd is, hoe meer warmte er vrijkomt.
• ionEen atoom of groep atomen met een elektrische lading, zoals de natrium- en chlooratomen in een zoutoplossing.
• thermodynamicaDe wetenschap van de omzettingen tussen warmte en andere vormen van energie.

De energetica van de vorming van oplossingen

De oplosbaarheid hangt af van het oplossen van de opgeloste stof in het oplosmiddel en wordt, zoals alle chemische reacties, beheerst door de wetten van de thermodynamica. Dit specifieke proces is een verandering van toestand van de begintoestand van de opgeloste stof, vast, vloeibaar of gas, in een opgeloste toestand (waterachtig genoemd als het oplosmiddel water is), wat een afzonderlijke fysische toestand is en dus als een chemische reactie wordt beschouwd. Om een chemische reactie te laten verlopen, moet deze thermodynamisch gunstig zijn. Vele factoren beïnvloeden hoe thermodynamisch gunstig een bepaalde reactie is, met inbegrip van de warmte van hydratatie, of hydratatie-energie die vrijkomt wanneer water een ion oplost, of omringt, en de hoeveelheid energie die nodig is om de attractieve krachten tussen de moleculen van het oplosmiddel te overwinnen, bekend als rooster-energie.

Solvent-Solut Interacties

Omdat de coulombische krachten die ionen en zeer polaire moleculen in vaste stoffen binden vrij sterk zijn, zouden we kunnen verwachten dat deze vaste stoffen onoplosbaar zijn in de meeste oplosmiddelen. De attractieve interacties tussen ionische moleculen worden de rooster-energie genoemd, en deze moeten overwonnen worden om een oplossing te vormen. Ionische vaste stoffen zijn onoplosbaar in de meeste niet-waterige oplosmiddelen, maar zij hebben de neiging een hoge oplosbaarheid te hebben, vooral in water.

De sleutelfactor die de oplosbaarheid bepaalt is de interactie van de ionen met het oplosmiddel. De elektrisch geladen ionen ondergaan ion-dipoolinteracties met water om de sterke coulombische aantrekkingskracht te overwinnen, en dit levert een waterige oplossing op. Het watermolecuul is polair; het heeft een gedeeltelijk positieve lading op de hydrogenen terwijl zuurstof een gedeeltelijk negatieve lading heeft. Deze dipool ontstaat door het verschil in elektronegativiteit van de O-H bindingen in het watermolecuul. Bovendien dragen de twee lone paren op de zuurstof in water ook bij tot de stabilisatie van positief geladen ionen in oplossing.

Als gevolg hiervan zijn ionen in waterige oplossingen altijd gehydrateerd; dat wil zeggen, ze zijn vrij stevig gebonden aan watermoleculen via ion-dipool interacties. Het aantal watermoleculen in de primaire hydratatieschil, die het ion volledig omvat, varieert met de straal en lading van het ion.

Lattice Energy

Het oplossen van een ionische vaste stof MX in water kan worden beschouwd als een opeenvolging van twee processen:

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

2.) M^+ (g) + X^-(g) tot M^+ (aq) + X^-(aq)

De eerste reactie (ionisatie) is altijd endotherm; het kost veel werk om een ionisch kristalrooster op te breken in de samenstellende ionen. De rooster-energie wordt gedefinieerd als de energie die vrijkomt bij de vorming van één mol ionische vaste stof uit gasvormige ionen, en neemt toe met toenemende atoomlading en afnemende atoomomvang (radii). Hoe groter de waarde van de tralie-energie van een verbinding, hoe groter de kracht die nodig is om de coulombische aantrekkingskracht te overwinnen. In feite zijn sommige verbindingen strikt onoplosbaar vanwege hun hoge rooster-energie die niet kan worden overwonnen om een oplossing te vormen.

Warmte van Hydratatie (Hhydratatie) vs. Rooster-energie

De hydratatiestap in de tweede reactie is altijd exotherm (Hhydratatie < 0) omdat H2O-moleculen in het elektrostatische veld van het ion worden aangetrokken. De warmte (enthalpie) van oplossing (Hsolution) is de som van de rooster- en hydratatie-energie ( Hsolution = Hhydration + Hlattice energy). Uit deze relatie blijkt duidelijk dat het overwinnen van de rooster-energie en het hydrateren van de ionen met elkaar concurreren.

De waarde van Hoplossing is afhankelijk van de grootte van Hhydratatie- en Hlattice-energie van de opgeloste stof. Gunstige omstandigheden voor de vorming van een oplossing impliceren typisch een negatieve waarde van Hsolution; dit ontstaat omdat het hydratatieproces de rooster-energie in de opgeloste stof overschrijdt. Zoals vaak het geval is bij een grootheid die de som is van twee grote termen met tegengestelde tekens, kan het totale oplossingsproces zowel endotherm als exotherm zijn. Hsolutie is slechts één van de factoren die oplossingsvorming bepalen, maar het is typisch de belangrijkste overweging bij oplossingsvorming vanwege de rol die enthalpie speelt in de meeste thermodynamische overwegingen.

De gemiddelde tijd die een ion in een hydratatieschil doorbrengt is ongeveer twee tot vier nanoseconden, dat is ongeveer twee orden van grootte langer dan de levensduur van een individuele H2O-H2O waterstofbrug. De relatieve sterkte van deze twee intermoleculaire krachten is duidelijk: ion-dipool interacties zijn sterker dan waterstofbrug interacties.

In het geval dat u zich afvraagt waar we de term “warmte van hydratatie” vandaan hebben, heeft het te maken met het feit dat sommige oplossingen zeer exotherm zijn wanneer ze gevormd worden. Een hete oplossing ontstaat wanneer de hydratatiewarmte veel groter is dan de rooster-energie van de opgeloste stof.