Introduktion till kemi

Termer

• HydrationsvärmeDen värme som frigörs vid hydrering av en mol joner vid ett konstant tryck. Ju mer jonen hydreras, desto mer värme frigörs.
• jonEn atom eller grupp av atomer som bär en elektrisk laddning, t.ex. natrium- och kloratomerna i en saltlösning.
• TermodynamikVetenskapen om omvandlingarna mellan värme och andra former av energi.

Energetiken vid bildning av lösningar

Löslighet beror på lösningsmedlets upplösning i lösningsmedlet och styrs, liksom alla kemiska reaktioner, av termodynamikens lagar. Denna speciella process är en tillståndsförändring från lösningsmedlets utgångstillstånd, antingen fast, flytande eller gas, till ett löst tillstånd (benämnt vattenhaltigt när lösningsmedlet är vatten), vilket är ett distinkt fysiskt tillstånd och därmed betraktas som en kemisk reaktion. För att en kemisk reaktion ska kunna äga rum måste den vara termodynamiskt gynnsam. Många faktorer påverkar hur termodynamiskt gynnsam en viss reaktion är, bland annat hydreringsvärmen, eller hydreringsenergin som frigörs när vatten löser upp, eller omger, en jon, och den energimängd som krävs för att övervinna de attraktiva krafterna mellan lösningsmolekylerna, känd som gitterenergi.

Solvens-lösningsinteraktioner

Då de coulombianska krafter som binder joner och mycket polära molekyler till fasta ämnen är ganska starka, kan man förvänta sig att dessa fasta ämnen är olösliga i de flesta lösningsmedel. De attraktiva interaktionerna mellan jonmolekyler kallas för gitterenergi, och de måste övervinnas för att en lösning ska kunna bildas. Joniska fasta ämnen är olösliga i de flesta icke vattenhaltiga lösningsmedel, men de tenderar att ha hög löslighet specifikt i vatten.

Den viktigaste faktorn som bestämmer lösligheten är jonernas interaktion med lösningsmedlet. De elektriskt laddade jonerna genomgår jon-dipolinteraktioner med vatten för att övervinna den starka coulombiska attraktionen, och detta ger en vattenlösning. Vattenmolekylen är polär; den har en delvis positiv laddning på vätgaserna medan syret har en delvis negativ laddning. Denna dipol uppstår på grund av skillnaden i elektronegativitet mellan O-H-bindningarna i vattenmolekylen. Dessutom bidrar de två ensamma paren på syret i vatten också till stabiliseringen av alla positivt laddade joner i lösningen.

Som en följd av detta är joner i vattenlösningar alltid hydrerade, det vill säga att de är ganska hårt bundna till vattenmolekylerna genom jon-dipolinteraktioner. Antalet vattenmolekyler som ingår i det primära hydreringsskalet, som helt omsluter jonen, varierar med jonens radie och laddning.

Gitterenergi

Upplösningen av ett joniskt fast ämne MX i vatten kan ses som en sekvens av två processer:

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

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

Den första reaktionen (jonisering) är alltid endotermisk; det krävs mycket arbete för att bryta upp ett joniskt kristallgitter i sina beståndsdelarjoner. Gitterenergi definieras som den energi som frigörs när en mol joniskt fast ämne bildas från gasformiga joner, och den ökar med ökande atomladdning och minskande atomstorlek (radier). Ju högre värde på en förenings gitterenergi, desto större är den kraft som krävs för att övervinna den coulombianska attraktionen. Faktum är att vissa föreningar är strikt olösliga på grund av sina höga gitterenergier som inte kan övervinnas för att bilda en lösning.

Hydratiseringsvärme (Hhydration) vs. gitterenergi

Hydratiseringssteget i den andra reaktionen är alltid exotermt (Hhydration < 0) eftersom H2O-molekylerna attraheras in i jonens elektrostatiska fält. Lösningsvärmen (entalpi) (Hsolution) är summan av gitter- och hydreringsenergierna ( Hsolution = Hhydration + Hlattice energy). Av detta förhållande kan vi tydligt se att processerna att övervinna gitterenergin och hydratisera jonerna konkurrerar med varandra.

Värdet av Hsolution är beroende av storlekarna av Hhydration och Hlattice energi hos den lösta substansen. Gynnsamma förhållanden för lösningsbildning innebär vanligen ett negativt värde på Hsolution; detta beror på att hydreringsprocessen överskrider gitterenergin i den lösta substansen. Som ofta sker för en kvantitet som är summan av två stora termer med motsatt tecken kan den totala upplösningsprocessen vara antingen endotermisk eller exotermisk. Hsolution är bara en av de faktorer som bestämmer lösningsbildningen, men det är vanligtvis den viktigaste faktorn vid lösningsbildning på grund av den roll som entalpi spelar i de flesta termodynamiska överväganden.

Den genomsnittliga tiden som en jon tillbringar i ett hydreringshölje är ungefär två till fyra nanosekunder, vilket är ungefär två storleksordningar längre än livslängden för en enskild H2O-H2O vätebindning. Den relativa styrkan hos dessa två intermolekylära krafter är uppenbar: jon-dipolinteraktioner är starkare än vätebindningsinteraktioner.

Om du skulle undra varifrån vi fått begreppet ”hydreringsvärme” har det att göra med det faktum att vissa lösningar är starkt exoterma när de bildas. En varm lösning uppstår när hydreringsvärmen är mycket större än gitterenergin hos lösningen.