SOLWATACJA: PROCES, RÓŻNICE Z HYDRATACJĄ I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Solwatacji jest związanie chemiczne i fizyczne między cząstkami substancji rozpuszczonej i rozpuszczalnika, w roztworze. Różni się od pojęcia rozpuszczalności tym, że nie ma równowagi termodynamicznej między ciałem stałym a jego rozpuszczonymi cząstkami.

Związek ten jest odpowiedzialny za „znikanie” rozpuszczonych ciał stałych na oczach widzów; kiedy w rzeczywistości cząsteczki stają się bardzo małe i zostają „owinięte” w arkusze cząsteczek rozpuszczalnika, uniemożliwiając ich obserwację.

Źródło: Gabriel Bolívar

Na górnym obrazku przedstawiono bardzo ogólny szkic solwatacji cząstki M. M może być jonem (M ⁺ ) lub cząsteczką; a S jest cząsteczką rozpuszczalnika, którym może być dowolny związek w stanie ciekłym (chociaż może być również gazowy).

Zauważ, że M jest otoczony przez sześć cząsteczek S, które tworzą tak zwaną sferę solwatacji pierwotnej. Inne cząsteczki S na większej odległości oddziałują siłami Van der Waalsa z tymi pierwszymi, tworząc sferę wtórnej solwatacji i tak dalej, aż pewien porządek nie jest oczywisty.

Proces solwatacji

Źródło: Gabriel Bolívar

Molekularnie, jak przebiega proces solwatacji? Powyższy obraz podsumowuje niezbędne kroki.

Początkowo uporządkowane są cząsteczki rozpuszczalnika, które są koloru niebieskiego, wszystkie oddziałują ze sobą (SS); a fioletowe cząsteczki substancji rozpuszczonej (jony lub cząsteczki) robią to samo z silnymi lub słabymi oddziaływaniami MM.

Aby zaszła solwatacja, zarówno rozpuszczalnik, jak i substancja rozpuszczona muszą rozszerzyć się (druga czarna strzałka), aby umożliwić interakcje substancja rozpuszczona-rozpuszczalnik (MS).

Z konieczności oznacza to zmniejszenie interakcji substancji rozpuszczonej i substancji rozpuszczonej oraz rozpuszczalnika i rozpuszczalnika; spadek, który wymaga energii, dlatego ten pierwszy krok jest endotermiczny.

Gdy substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik rozszerzą się molekularnie, oba mieszają się i zamieniają miejscami w przestrzeni. Każde fioletowe kółko na drugim obrazie można porównać do tego na pierwszym obrazie.

Na obrazie można wyszczególnić zmianę stopnia uporządkowania cząstek; uporządkowane na początku i nieuporządkowane na końcu. W konsekwencji ostatni etap jest egzotermiczny, ponieważ tworzenie nowych oddziaływań MS stabilizuje wszystkie cząstki w roztworze.

Aspekty energetyczne

Za procesem solwatacji kryje się wiele aspektów energetycznych, które należy wziąć pod uwagę. Po pierwsze: interakcje SS, MM i MS.

Kiedy interakcje MS, to znaczy między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem, są znacznie większe (silne i stabilne) w porównaniu z interakcjami poszczególnych składników, mówimy o egzotermicznym procesie solwatacji; w związku z tym energia jest uwalniana do ośrodka, co można zweryfikować, mierząc wzrost temperatury termometrem.

Jeśli, przeciwnie, interakcje MM i SS są silniejsze niż interakcje MS, wówczas aby „rozszerzyć” się, będą potrzebować więcej energii niż zyskują po zakończeniu solwatacji.

Mówimy wtedy o endotermicznym procesie solwatacji. W takim przypadku odnotowywany jest spadek temperatury, lub co oznacza, że ​​otoczenie się ochładza.

Istnieją dwa podstawowe czynniki, które decydują o tym, czy substancja rozpuszczona rozpuszcza się w rozpuszczalniku. Pierwsza to zmiana entalpii roztworu (ΔH _dis ), jak właśnie wyjaśniono, a druga to zmiana entropii (ΔS) między substancją rozpuszczoną a substancją rozpuszczoną. Ogólnie, ΔS jest związane ze wzrostem zaburzeń, również wspomnianych powyżej.

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Wspomniano, że solwatacja jest wynikiem fizycznego i chemicznego wiązania między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem; jednak, jak dokładnie wyglądają te interakcje lub związki?

Jeśli substancją rozpuszczoną jest jon, M ⁺ , zachodzą tak zwane oddziaływania jon-dipol (M ⁺ -S); a jeśli jest to cząsteczka, to będą interakcje dipol-dipol lub siły rozpraszające w Londynie.

Mówiąc o oddziaływaniach dipol-dipol, mówi się, że istnieje trwały moment dipolowy w M i S.W ten sposób region M bogaty w δ- elektrony oddziałuje z regionem S. ubogim w elektrony δ +. Interakcje to tworzenie kilku sfer solwatacyjnych wokół M.

Dodatkowo istnieje inny rodzaj interakcji: koordynacyjna. Tutaj cząsteczki S tworzą wiązania koordynacyjne (lub celujące) z M, tworząc różne geometrie.

Podstawową zasadą zapamiętywania i przewidywania powinowactwa między substancją rozpuszczoną a rozpuszczalnikiem jest: podobne rozpuszcza się podobne. Dlatego substancje polarne bardzo łatwo rozpuszczają się w równie polarnych rozpuszczalnikach; a substancje niepolarne rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych.

Różnice w nawodnieniu

Źródło: Gabriel Bolívar

Czym różni się solwatacja od hydratacji? Dwa identyczne procesy, z tym wyjątkiem, że cząsteczki S na pierwszym obrazie zostały zastąpione cząsteczkami wody, HOH.

Na górnym obrazie widać kation M ⁺ otoczony sześcioma cząsteczkami H ₂ O. Zwróć uwagę, że atomy tlenu (w kolorze czerwonym) są skierowane w stronę ładunku dodatniego, ponieważ jest on najbardziej elektroujemny, a zatem obie mają najwyższą ujemną gęstość δ-.

Za pierwszą sferą hydratacyjną inne cząsteczki wody są zgrupowane wokół wiązań wodorowych (OH _2- OH ₂ ). To są interakcje jon-dipol. Jednak cząsteczki wody mogą również tworzyć wiązania koordynacyjne z dodatnim centrum, zwłaszcza jeśli jest metaliczne.

W ten sposób powstają słynne kompleksy wodne M (OH ₂ ) _n . Ponieważ n = 6 na obrazie, sześć cząsteczek jest zorientowanych wokół M w oktaedrze koordynacyjnym (wewnętrzna sfera hydratacji). W zależności od wielkości M ⁺ , wielkości jego ładunku i jego dostępności elektronicznej, kula ta może być mniejsza lub większa.

Woda jest chyba najbardziej zaskakującym rozpuszczalnikiem ze wszystkich: rozpuszcza niezmierzoną ilość substancji rozpuszczonych, jest rozpuszczalnikiem zbyt polarnym i ma nienormalnie wysoką stałą dielektryczną (78,5 K).

Przykłady

Poniżej wymieniono trzy przykłady solwatacji w wodzie.

Chlorek wapnia

Rozpuszczając chlorek wapnia w wodzie, ciepło jest uwalniane w postaci kationów Ca ²⁺ i solwatów anionów Cl ^- . Ca ²⁺ jest otoczony przez liczbę cząsteczek wody równą lub większą niż sześć (Ca ²⁺ -OH ₂ ).

Podobnie Cl ^- jest otoczony przez atomy wodoru, obszar δ + wody (Cl ^- -H ₂ O). Uwolnione ciepło można wykorzystać do stopienia mas lodu.

Mocznik

W przypadku mocznika jest to cząsteczka organiczna o budowie H ₂ N - CO - NH ₂ . Po solwatacji cząsteczki H ₂ O tworzą wiązania wodorowe z dwiema grupami aminowymi (-NH _2- OH ₂ ) iz grupą karbonylową (C = O-H ₂ O). Te interakcje są odpowiedzialne za jego doskonałą rozpuszczalność w wodzie.

Podobnie jego rozpuszczanie jest endotermiczne, to znaczy chłodzi zbiornik na wodę, w którym jest dodawany.

Azotan amonowy

Azotan amonu, podobnie jak mocznik, jest substancją rozpuszczoną, która chłodzi roztwór po solwatacji jego jonów. NH ₄ ⁺ jest solwatowany w podobny sposób jak Ca ²⁺ , chociaż prawdopodobnie ze względu na swoją tetraedryczną geometrię ma mniej cząsteczek H ₂ O wokół siebie; a NO ₃ ^- jest solwatowany w taki sam sposób jak aniony Cl ^- (OH _2- O ₂ NO-H ₂ O).

Bibliografia

1. Glasstone S. (1970). Traktat Chemii i Fizyki. Aguilar, SA, Madryt, Hiszpania.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning.
3. Ira N. Levine. (2014). Zasady fizykochemii. Szósta edycja. Mc Graw Hill.
4. Słownik Chemicool. (2017). Definicja solwatacji. Źródło: chemicool.com
5. Belford R. (nd). Procesy solwatacji. Chemistry LibreTexts. Odzyskane z: chem.libretexts.org
6. Wikipedia. (2018). Solwacja. Odzyskane z: en.wikipedia.org
7. Hardinger A. Steven. (2017). Ilustrowany słownik chemii organicznej: solwatacja. Odzyskany z: chem.ucla.edu
8. Surf Guppy. (sf). Proces solwatacji. Odzyskany z: surfguppy.com