Introducere în chimie

Termeni

• căldura de hidratareCăldura care se degajă prin hidratarea unui mol de ioni la o presiune constantă. Cu cât ionul se hidratează mai mult, cu atât se degajă mai multă căldură.
• ionAtomo sau grup de atomi purtători de sarcină electrică, cum ar fi atomii de sodiu și clor dintr-o soluție de sare.
• termodinamicăȘtiința conversiilor dintre căldură și alte forme de energie.

Energetica formării soluțiilor

Solubilitatea depinde de dizolvarea solutului în solvent și, ca toate reacțiile chimice, este guvernată de legile termodinamicii. Acest proces particular este o schimbare de stare de la starea inițială a solutului, fie solid, lichid sau gaz, la o stare dizolvată (numită apoasă atunci când solventul este apa), care este o stare fizică distinctă și, prin urmare, este considerată o reacție chimică. Pentru ca orice reacție chimică să aibă loc, trebuie să fie favorabilă din punct de vedere termodinamic. Mulți factori influențează cât de favorabilă din punct de vedere termodinamic este o anumită reacție, inclusiv căldura de hidratare, sau energia de hidratare eliberată atunci când apa dizolvă sau înconjoară un ion, și cantitatea de energie necesară pentru a învinge forțele de atracție dintre moleculele de solut, cunoscută sub numele de energie de rețea.

Interacțiuni solvent-solut

Din moment ce forțele coulombiene care leagă ionii și moleculele foarte polare în solide sunt destul de puternice, ne-am putea aștepta ca aceste solide să fie insolubile în majoritatea solvenților. Interacțiunile atractive dintre moleculele ionice se numesc energie de rețea și trebuie să fie depășite pentru ca o soluție să se formeze. Solidele ionice sunt insolubile în majoritatea solvenților neacvatici, dar au tendința de a avea o solubilitate ridicată în special în apă.

Factorul cheie care determină solubilitatea este interacțiunea ionilor cu solventul. Ionii încărcați electric suferă interacțiuni ion-dipolare cu apa pentru a depăși atracția coulombiană puternică, iar acest lucru produce o soluție apoasă. Molecula de apă este polară; are o sarcină pozitivă parțială pe hidrogeni, în timp ce oxigenul poartă o sarcină negativă parțială. Acest dipol provine din diferența de electronegativitate prezentă în legăturile O-H din molecula de apă. În plus, cele două perechi lone de pe oxigenul din apă contribuie, de asemenea, la stabilizarea oricăror ioni încărcați pozitiv în soluție.

În consecință, ionii din soluțiile apoase sunt întotdeauna hidratați; adică sunt destul de strâns legați de moleculele de apă prin interacțiuni ion-dipol. Numărul de molecule de apă conținute în învelișul primar de hidratare, care înglobează complet ionul, variază în funcție de raza și sarcina ionului.

Energia rețelei

Disoluția unui solid ionic MX în apă poate fi privită ca o secvență de două procese:

1) MX (s) \în M^+ (g) + X^-(g)

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

Prima reacție (ionizarea) este întotdeauna endotermică; este nevoie de mult lucru pentru a descompune o rețea cristalină ionică în ionii săi componenți. Energia rețelei este definită ca fiind energia care se eliberează atunci când se formează un mol de solid ionic din ioni gazoși, și crește odată cu creșterea sarcinii atomice și cu scăderea dimensiunii atomice (razei). Cu cât este mai mare valoarea energiei de rețea a unui compus, cu atât este mai mare forța necesară pentru a învinge atracția coulombiană. De fapt, unii compuși sunt strict insolubili din cauza energiilor lor de rețea ridicate care nu pot fi depășite pentru a forma o soluție.

Căldura de hidratare (Hhidratare) vs. energia de rețea

Etapa de hidratare din cea de-a doua reacție este întotdeauna exotermă (Hhidratare < 0) deoarece moleculele de H2O sunt atrase în câmpul electrostatic al ionului. Căldura (entalpia) soluției (Hsoluție) este suma energiilor de rețea și de hidratare ( Hsoluție = Hhidratare + Henergia rețelei). Din această relație, putem vedea clar că procesele de depășire a energiei rețelei și de hidratare a ionilor sunt în competiție unul cu celălalt.

Valoarea lui Hsoluție depinde de mărimile energiei de hidratare și energiei Hrețea a solutului. Condițiile favorabile pentru formarea soluției implică, de obicei, o valoare negativă a Hsoluție; acest lucru apare deoarece procesul de hidratare depășește energia reticulară din solut. Așa cum se întâmplă adesea pentru o mărime care este suma a doi termeni mari cu semne opuse, procesul global de dizolvare poate fi fie endotermic, fie exotermic. Hsoluția este doar unul dintre factorii care determină formarea soluției, dar este de obicei principalul considerent în formarea soluției datorită rolului pe care entalpia îl joacă în majoritatea considerațiilor termodinamice.

Timpurile medii pe care un ion le petrece într-o coajă de hidratare sunt de aproximativ două până la patru nanosecunde, ceea ce reprezintă aproximativ două ordine de mărime mai mult decât durata de viață a unei legături de hidrogen H2O-H2O individuale. Puterea relativă a acestor două forțe intermoleculare este evidentă: interacțiunile ion-dipol sunt mai puternice decât interacțiunile legăturii de hidrogen.

În cazul în care vă întrebați de unde am luat termenul de „căldură de hidratare”, acesta are legătură cu faptul că unele soluții sunt foarte exotermice atunci când se formează. O soluție fierbinte rezultă atunci când căldura de hidratare este mult mai mare decât energia de rețea a solutului.

.