Wprowadzenie do chemii

Terms

• heat of hydrationCiepło, które jest uwalniane przez hydratację jednego mola jonów przy stałym ciśnieniu. Im bardziej jon jest uwodniony, tym więcej ciepła jest uwalniane.
• jonAtom lub grupa atomów obdarzonych ładunkiem elektrycznym, takich jak atomy sodu i chloru w roztworze soli.
• termodynamikaNauka o przemianach pomiędzy ciepłem a innymi formami energii.

Energetyka tworzenia roztworu

Rozpuszczalność zależy od rozpuszczenia solutu w rozpuszczalniku i, podobnie jak wszystkie reakcje chemiczne, podlega prawom termodynamiki. Ten szczególny proces polega na zmianie stanu ze stanu wyjściowego rozpuszczalnika – ciała stałego, cieczy lub gazu – na stan rozpuszczony (określany jako wodny, gdy rozpuszczalnikiem jest woda), który jest odrębnym stanem fizycznym i dlatego jest uważany za reakcję chemiczną. Aby reakcja chemiczna mogła przebiegać, musi być korzystna pod względem termodynamicznym. Wiele czynników wpływa na to, jak termodynamicznie korzystna jest dana reakcja, w tym ciepło hydratacji lub energia hydratacji uwalniana, gdy woda rozpuszcza lub otacza jon, oraz ilość energii wymaganej do pokonania sił przyciągania między cząsteczkami rozpuszczalnika, znanej jako energia sieciowa.

Interakcje rozpuszczalnik-rozpuszczalnik

Ponieważ siły coulombowskie, które wiążą jony i wysoce polarne cząsteczki w ciała stałe są dość silne, możemy oczekiwać, że te ciała stałe będą nierozpuszczalne w większości rozpuszczalników. Atrakcyjne oddziaływania pomiędzy cząsteczkami jonów nazywane są energią sieciową i muszą być przezwyciężone, aby mógł powstać roztwór. Ciała stałe jonowe są nierozpuszczalne w większości rozpuszczalników niewodnych, ale mają tendencję do wysokiej rozpuszczalności szczególnie w wodzie.

Kluczowym czynnikiem, który określa rozpuszczalność jest interakcja jonów z rozpuszczalnikiem. Elektrycznie naładowane jony przechodzą jonowo-dipolowe interakcje z wodą, aby przezwyciężyć silne przyciąganie coulombic, a to wytwarza roztwór wodny. Cząsteczka wody jest polarna; posiada częściowy ładunek dodatni na hydrogenach, podczas gdy tlen posiada częściowy ładunek ujemny. Dipol ten wynika z różnicy w elektroujemności wiązań O-H w cząsteczce wody. Ponadto, dwie samotne pary na tlenie w wodzie również przyczyniają się do stabilizacji wszelkich dodatnio naładowanych jonów w roztworze.

W konsekwencji, jony w roztworach wodnych są zawsze uwodnione; to znaczy, są dość ściśle związane z cząsteczkami wody poprzez oddziaływania jonowo-dipolowe. Liczba cząsteczek wody zawartych w pierwotnej powłoce hydratacyjnej, która całkowicie obejmuje jon, zmienia się wraz z promieniem i ładunkiem jonu.

Energia sieciowa

Rozpuszczenie ciała stałego jonowego MX w wodzie może być postrzegane jako sekwencja dwóch procesów:

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

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

Pierwsza reakcja (jonizacja) jest zawsze endotermiczna; potrzeba dużo pracy, aby rozbić jonową sieć krystaliczną na jony składowe. Energia sieci jest definiowana jako energia, która jest uwalniana, gdy jeden mol ciała stałego jonowego jest tworzony z jonów gazowych, i wzrasta wraz ze wzrostem ładunku atomowego i zmniejszeniem rozmiaru atomu (promienia). Im większa wartość energii sieciowej związku, tym większa siła potrzebna do pokonania przyciągania coulombowskiego. W rzeczywistości niektóre związki są ściśle nierozpuszczalne ze względu na ich wysokie energie sieciowe, których nie można pokonać, aby utworzyć roztwór.

Ciepło hydratacji (Hhydration) vs energia sieciowa

Krok hydratacji w drugiej reakcji jest zawsze egzotermiczny (Hhydration < 0), ponieważ cząsteczki H2O są przyciągane do pola elektrostatycznego jonu. Ciepło (entalpia) roztworu (Hsolution) jest sumą energii sieci i energii hydratacji (Hsolution = Hhydration + Hlattice energy). Z tej zależności widać wyraźnie, że procesy pokonywania energii sieciowej i hydratacji jonów konkurują ze sobą.

Wartość Hsolution zależy od wielkości energii hydratacji Hhydration i Hlattice solutu. Korzystne warunki do tworzenia roztworu zazwyczaj wiążą się z ujemną wartością Hsolution; wynika to z faktu, że proces hydratacji przekracza energię sieci w rozpuszczalniku. Jak to często bywa w przypadku wielkości będącej sumą dwóch dużych członów o przeciwnych znakach, ogólny proces rozpuszczania może być endotermiczny lub egzotermiczny. Hsolution jest tylko jednym z czynników określających tworzenie roztworu, ale jest to zazwyczaj główny czynnik w tworzeniu roztworu ze względu na rolę, jaką entalpia odgrywa w większości rozważań termodynamicznych.

Średni czas, jaki jon spędza w powłoce hydratacyjnej wynosi około dwóch do czterech nanosekund, co jest o dwa rzędy wielkości dłuższe niż czas życia pojedynczego wiązania wodorowego H2O-H2O. Względna siła tych dwóch sił międzycząsteczkowych jest oczywista: oddziaływania jonowo-dipolowe są silniejsze niż oddziaływania wiązań wodorowych.

W przypadku, gdy zastanawialiście się skąd wzięliśmy termin „ciepło hydratacji”, ma to związek z faktem, że niektóre roztwory są wysoce egzotermiczne podczas tworzenia. Gorący roztwór powstaje, gdy ciepło hydratacji jest znacznie większe niż energia sieciowa solutu.

.