LÖSUNG: PROZESS, UNTERSCHIEDE BEI DER HYDRATATION UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die Solvatisierung ist die physikalische und chemische Bindung zwischen gelösten Partikeln und Lösungsmittel in einer Lösung. Es unterscheidet sich vom Löslichkeitskonzept dadurch, dass zwischen einem Feststoff und seinen gelösten Partikeln kein thermodynamisches Gleichgewicht besteht.

Diese Vereinigung ist dafür verantwortlich, dass die gelösten Feststoffe im Hinblick auf die Zuschauer "verschwinden"; In Wirklichkeit werden die Partikel sehr klein und "wickeln" sich in Schichten von Lösungsmittelmolekülen ein, so dass sie nicht mehr beobachtet werden können.

Quelle: Gabriel Bolívar

Eine sehr allgemeine Skizze der Solvatisierung eines M-Teilchens ist im oberen Bild dargestellt. M kann entweder ein Ion (M ⁺ ) oder ein Molekül sein; und S ist das Lösungsmittelmolekül, das jede Verbindung in flüssigem Zustand sein kann (obwohl es auch gasförmig sein kann).

Beachten Sie, dass M von sechs Molekülen S umgeben ist, die die sogenannte Sphäre der primären Solvatation bilden. Andere S-Moleküle in größerer Entfernung interagieren durch Van-der-Waals-Kräfte mit den ersteren und bilden eine Kugel der sekundären Solvatisierung usw., bis eine gewisse Ordnung nicht mehr erkennbar ist.

Lösungsprozess

Quelle: Gabriel Bolívar

Wie ist der Solvatationsprozess molekular? Das Bild oben fasst die notwendigen Schritte zusammen.

Die blau gefärbten Lösungsmittelmoleküle sind zunächst geordnet und interagieren alle miteinander (SS). und lila gelöste Partikel (Ionen oder Moleküle) tun dasselbe mit starken oder schwachen MM-Wechselwirkungen.

Damit eine Solvatisierung stattfinden kann, müssen sich sowohl das Lösungsmittel als auch der gelöste Stoff ausdehnen (zweiter schwarzer Pfeil), um Wechselwirkungen zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel (MS) zu ermöglichen.

Dies impliziert notwendigerweise eine Abnahme der Wechselwirkungen zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel und Lösungsmittel; Abnahme, die Energie benötigt, und daher ist dieser erste Schritt endotherm.

Sobald sich der gelöste Stoff und das Lösungsmittel molekular ausgedehnt haben, mischen sich die beiden und tauschen sich im Raum aus. Jeder violette Kreis im zweiten Bild kann mit dem im ersten Bild verglichen werden.

Eine Änderung des Ordnungsgrades der Partikel kann im Bild detailliert dargestellt werden; am Anfang bestellt und am Ende ungeordnet. Infolgedessen ist der letzte Schritt exotherm, da die Bildung der neuen MS-Wechselwirkungen alle Partikel in der Lösung stabilisiert.

Energieaspekte

Hinter dem Solvatisierungsprozess stehen viele energetische Aspekte, die berücksichtigt werden müssen. Erstens: SS-, MM- und MS-Interaktionen.

Wenn die MS-Wechselwirkungen, dh zwischen dem gelösten Stoff und dem Lösungsmittel, im Vergleich zu denen der einzelnen Komponenten viel höher (stark und stabil) sind, sprechen wir von einem exothermen Solvatisierungsprozess; und daher wird Energie an das Medium abgegeben, was durch Messen des Temperaturanstiegs mit einem Thermometer überprüft werden kann.

Wenn andererseits die MM- und SS-Wechselwirkungen stärker sind als die MS, benötigen sie zum „Ausdehnen“ mehr Energie als sie gewinnen, wenn die Solvatisierung abgeschlossen ist.

Wir sprechen dann von einem endothermen Solvatisierungsprozess. In diesem Fall wird ein Temperaturabfall aufgezeichnet oder die Umgebung wird gekühlt.

Es gibt zwei grundlegende Faktoren, die bestimmen, ob sich ein gelöster Stoff in einem Lösungsmittel löst oder nicht. Die erste ist die Enthalpieänderung der Lösung (ΔH _dis ), wie gerade erläutert, und die zweite ist die Entropieänderung (ΔS) zwischen gelöstem und gelöstem gelöstem Stoff. Im Allgemeinen ist ΔS mit der ebenfalls oben erwähnten Zunahme der Störung verbunden.

Intermolekulare Wechselwirkungen

Es wurde erwähnt, dass die Solvatisierung das Ergebnis der physikalischen und chemischen Bindung zwischen dem gelösten Stoff und dem Lösungsmittel ist; Wie genau sind diese Interaktionen oder Gewerkschaften?

Wenn der gelöste Stoff ein Ion M ^{+ ist,} treten die sogenannten Ionen-Dipol-Wechselwirkungen (M ⁺ -S) auf ; und wenn es ein Molekül ist, dann gibt es Dipol-Dipol-Wechselwirkungen oder Londoner Streukräfte.

Wenn man über Dipol-Dipol-Wechselwirkungen spricht, wird gesagt, dass es in M ​​und S ein permanentes Dipolmoment gibt. Somit interagiert der δ-elektronenreiche Bereich von M mit dem δ + -elektronenarmen Bereich von S. Das Ergebnis all dieser Wechselwirkungen sind die Bildung mehrerer Solvatationskugeln um M.

Zusätzlich gibt es eine andere Art der Interaktion: die koordinative. Hier bilden die S-Moleküle Koordinationsbindungen (oder Dativbindungen) mit M und bilden verschiedene Geometrien.

Eine grundlegende Regel zum Auswendiglernen und Vorhersagen der Affinität zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel lautet: Gleiches löst Gleiches auf. Daher lösen sich polare Substanzen sehr leicht in gleichpolaren Lösungsmitteln; und unpolare Substanzen lösen sich in unpolaren Lösungsmitteln.

Unterschiede bei der Flüssigkeitszufuhr

Quelle: Gabriel Bolívar

Wie unterscheidet sich die Solvatation von der Hydratation? Die beiden identischen Prozesse, außer dass die S-Moleküle im ersten Bild durch die von Wasser, HOH, ersetzt werden.

Im oberen Bild sehen Sie ein M ⁺ -Kation, das von sechs H ₂ O- Molekülen umgeben ist . Beachten Sie, dass die Sauerstoffatome (rote Farbe) auf die positive Ladung gerichtet sind, da sie am elektronegativsten sind und daher beide haben die höchste negative Dichte δ-.

Hinter der ersten Hydratationskugel sind andere Wassermoleküle durch Wasserstoffbrücken (OH ₂ -OH ₂ ) gruppiert . Dies sind Ionen-Dipol-Wechselwirkungen. Wassermoleküle können jedoch auch Koordinationsbindungen mit dem positiven Zentrum eingehen, insbesondere wenn es metallisch ist.

So entstehen die berühmten Wasserkomplexe M (OH ₂ ) _n . Da im Bild n = 6 ist, sind die sechs Moleküle in einem Koordinationsoktaeder (der inneren Hydratationssphäre) um M orientiert. Abhängig von der Größe von M ⁺ , der Größe seiner Ladung und seiner elektronischen Verfügbarkeit kann diese Kugel kleiner oder größer sein.

Wasser ist vielleicht das erstaunlichste Lösungsmittel von allen: Es löst eine unermessliche Menge an gelösten Stoffen auf, ist ein zu polares Lösungsmittel und hat eine ungewöhnlich hohe Dielektrizitätskonstante (78,5 K).

Beispiele

Drei Beispiele für die Solvatisierung in Wasser sind nachstehend aufgeführt.

Calciumchlorid

Durch Auflösen von Calciumchlorid in Wasser wird Wärme freigesetzt, wenn Ca ²⁺ -Kationen und Cl ^- Anionen solvatisieren . Ca ²⁺ ist von einer Anzahl von Wassermolekülen umgeben, die gleich oder größer als sechs sind (Ca ²⁺ -OH ₂ ).

Ebenso ist Cl ^- von Wasserstoffatomen umgeben, der δ + -Region von Wasser (Cl ^- -H ₂ O). Die freigesetzte Wärme kann zum Schmelzen von Eismassen verwendet werden.

Harnstoff

Bei Harnstoff handelt es sich um ein organisches Molekül mit der Struktur H ₂ N - CO - NH ₂ . Bei der Solvatisierung bilden die H ₂ O- Moleküle Wasserstoffbrücken mit den beiden Aminogruppen (-NH ₂ -OH ₂ ) und mit der Carbonylgruppe (C = O-H ₂ O). Diese Wechselwirkungen sind für die große Löslichkeit in Wasser verantwortlich.

Ebenso ist seine Auflösung endotherm, dh es kühlt den Wasserbehälter, in dem es hinzugefügt wird.

Ammoniumnitrat

Ammoniumnitrat ist wie Harnstoff ein gelöster Stoff, der die Lösung nach der Solvatisierung ihrer Ionen abkühlt. NH ₄ ⁺ wird auf ähnliche Weise wie Ca ²⁺ solvatisiert , obwohl es wahrscheinlich aufgrund seiner tetraedrischen Geometrie weniger H ₂ O- Moleküle um sich herum hat; und NO ₃ ^- wird auf die gleiche Weise wie Cl ^- (OH ₂ -O ₂ NO-H ₂ O) -Anionen solvatisiert .

Verweise

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