СОЛЬВАТАЦИЯ: ПРОЦЕСС, ОТЛИЧИЯ ОТ ГИДРАТАЦИИ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2024

Сольватации является физическая и химическая связь между частицами растворенного вещества и растворителя в растворе. Он отличается от концепции растворимости тем, что не существует термодинамического равновесия между твердым телом и его растворенными частицами.

Этот союз ответственен за «исчезновение» растворенных твердых частиц на глазах у зрителей; когда на самом деле частицы становятся очень маленькими и в конечном итоге «оборачиваются» слоями молекул растворителя, что делает невозможным их наблюдение.

Источник: Габриэль Боливар

На верхнем изображении представлен очень общий набросок сольватации частицы M. M может быть либо ионом (M ⁺ ), либо молекулой; и S представляет собой молекулу растворителя, которая может быть любым соединением в жидком состоянии (хотя оно также может быть газообразным).

Обратите внимание, что M окружен шестью молекулами S, которые составляют так называемую сферу первичной сольватации. Другие молекулы S, находящиеся на большем расстоянии, взаимодействуют с первыми силами Ван-дер-Ваальса, образуя сферу вторичной сольватации и так далее до тех пор, пока некоторый порядок не станет очевидным.

Процесс сольватации

Источник: Габриэль Боливар

Молекулярно, как проходит процесс сольватации? На изображении выше показаны необходимые шаги.

Молекулы растворителя синего цвета изначально упорядочены, все взаимодействуют друг с другом (SS); и фиолетовые частицы растворенного вещества (ионы или молекулы) делают то же самое с сильными или слабыми взаимодействиями ММ.

Чтобы сольватация произошла, и растворитель, и растворенное вещество должны расшириться (вторая черная стрелка), чтобы обеспечить взаимодействие растворенного вещества с растворителем (MS).

Это обязательно подразумевает уменьшение взаимодействий растворенное вещество-растворенное вещество и растворитель-растворитель; уменьшение, которое требует энергии, и поэтому этот первый шаг является эндотермическим.

Как только растворенное вещество и растворитель расширились на молекулярном уровне, они смешиваются и обмениваются местами в космосе. Каждый фиолетовый кружок на втором изображении можно сравнить с кружком на первом изображении.

На изображении можно детализировать изменение степени упорядочения частиц; заказано в начале и беспорядочно в конце. Как следствие, последний этап является экзотермическим, поскольку образование новых МС-взаимодействий стабилизирует все частицы в растворе.

Энергетические аспекты

За процессом сольватации необходимо учитывать множество энергетических аспектов. Во-первых: взаимодействия SS, MM и MS.

Когда взаимодействия МС, то есть между растворенным веществом и растворителем, намного выше (сильные и стабильные) по сравнению с взаимодействиями отдельных компонентов, мы говорим об экзотермическом процессе сольватации; и, следовательно, в среду выделяется энергия, что можно проверить, измерив повышение температуры с помощью термометра.

Если, с другой стороны, взаимодействия MM и SS сильнее, чем MS, то для «расширения» им потребуется больше энергии, чем они получат после завершения сольватации.

Тогда мы говорим об эндотермическом процессе сольватации. В этом случае регистрируется падение температуры или, что то же самое, охлаждение окружающей среды.

Есть два фундаментальных фактора, которые определяют, растворяется ли растворенное вещество в растворителе. Первый - это изменение энтальпии раствора (ΔH _dis ), как только что объяснено, а второй - изменение энтропии (ΔS) между растворенным веществом и растворенным растворенным веществом. Как правило, ΔS ассоциируется с увеличением беспорядка, также упомянутым выше.

Межмолекулярные взаимодействия

Было упомянуто, что сольватация является результатом физической и химической связи между растворенным веществом и растворителем; однако каковы именно эти взаимодействия или союзы?

Если растворенным веществом является ион M ⁺ , происходят так называемые ионно-дипольные взаимодействия (M ⁺ -S); а если это молекула, то будут диполь-дипольные взаимодействия или силы лондонского рассеяния.

Когда говорят о диполь-дипольных взаимодействиях, говорят, что существует постоянный дипольный момент в M и S. Таким образом, богатая δ-электронами область M взаимодействует с δ + -электронной областью S. Взаимодействия - это образование нескольких сольватационных сфер вокруг M.

Кроме того, есть еще один тип взаимодействия: координационный. Здесь молекулы S образуют координационные (или дативные) связи с M, образуя различную геометрию.

Основное правило запоминания и прогнозирования сродства растворенного вещества и растворителя: подобное растворяется в подобном. Следовательно, полярные вещества очень легко растворяются в равнополярных растворителях; и неполярные вещества растворяются в неполярных растворителях.

Отличия от гидратации

Источник: Габриэль Боливар

Чем сольватация отличается от гидратации? Два идентичных процесса, за исключением того, что молекулы S на первом изображении заменены молекулами воды, HOH.

На верхнем изображении вы можете увидеть катион M ^+, окруженный шестью молекулами H ₂ O. Обратите внимание, что атомы кислорода (красного цвета) ориентированы в сторону положительного заряда, потому что он является наиболее электроотрицательным и, следовательно, оба имеют самую высокую отрицательную плотность δ-.

За первой сферой гидратации другие молекулы воды группируются водородными связями (ОН ₂ -ОН ₂ ). Это ионно-дипольные взаимодействия. Однако молекулы воды также могут образовывать координационные связи с положительным центром, особенно если он металлический.

Так возникают знаменитые водные комплексы M (OH ₂ ) _n . Поскольку на изображении n = 6, шесть молекул ориентированы вокруг M в координационном октаэдре (внутренняя сфера гидратации). В зависимости от размера M ⁺ , величины его заряда и его электронной доступности эта сфера может быть меньше или больше.

Вода, пожалуй, самый удивительный растворитель из всех: она растворяет неизмеримое количество растворенных веществ, является слишком полярным растворителем и имеет аномально высокую диэлектрическую проницаемость (78,5 К).

Примеры

Ниже приведены три примера сольватации в воде.

Хлорид кальция

При растворении хлорида кальция в воде выделяется тепло в виде сольвата катионов Ca ²⁺ и анионов Cl ^- . Ca ²⁺ окружен числом молекул воды, равным или превышающим шесть (Ca ²⁺ -OH ₂ ).

Аналогичным образом, Cl ^- окружен атомами водорода, область воды δ + (Cl ^- -H ₂ O). Выделяемое тепло можно использовать для плавления льда.

Мочевина

В случае мочевины это органическая молекула со структурой H ₂ N - CO - NH ₂ . При сольватировании молекулы H ₂ O образуют водородные связи с двумя аминогруппами (-NH ₂ -OH ₂ ) и с карбонильной группой (C = O-H ₂ O). Эти взаимодействия ответственны за его высокую растворимость в воде.

Точно так же его растворение эндотермическое, то есть охлаждает емкость с водой, в которую он добавлен.

Нитрат аммония

Нитрат аммония, как и мочевина, представляет собой растворенное вещество, которое охлаждает раствор после сольватации его ионов. NH ₄ ⁺ сольватируется аналогично Ca ²⁺ , хотя, вероятно, из-за его тетраэдрической геометрии вокруг него меньше молекул H ₂ O; и NO ₃ ^- сольватируется так же, как анионы Cl ^- (OH ₂ -O ₂ NO-H ₂ O).

Ссылки

1. Гласстон С. (1970). Договор по химии и физике. Агилар, SA, Мадрид, Испания.
2. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.
3. Ира Н. Левин. (2014). Основы физико-химии. Издание шестое. Мак Гроу Хилл.
4. Chemicool Dictionary. (2017). Определение сольватации. Получено с: chemicool.com
5. Белфорд Р. (б. Д.). Процессы решения. Химия LibreTexts. Получено с: chem.libretexts.org
6. Wikipedia. (2018). Сольватация. Получено с: en.wikipedia.org
7. Хардингер А. Стивен. (2017). Иллюстрированный глоссарий органической химии: сольватация. Получено с: chem.ucla.edu
8. Прибой гуппи. (SF). Процесс сольватации. Получено с: surfguppy.com