6.3.2: Ionic Compounds: Salts: Solubility of Ionic Compounds: Suolat

Polaarisilla yhdisteillä on taipumus liueta veteen, ja voimme laajentaa tämän yleisyyden koskemaan kaikkien ionisten yhdisteiden polaarisimpia yhdisteitä. Ruokasuola eli natriumkloridi (NaCl), yleisin ioninen yhdiste, liukenee veteen (360 g/l). Muistutetaan, että NaCl on suolakide, joka ei koostu erillisistä NaCl-molekyyleistä vaan pikemminkin laajasta joukosta Na+- ja Cl-ioneja, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa kolmiulotteisesti sähköstaattisten vuorovaikutusten avulla. Kun NaCl liukenee veteen, kiteen sisäiset sähköstaattiset vuorovaikutukset on rikottava. Sitä vastoin, kun molekyyliyhdisteet liukenevat veteen, molekyylien väliset voimat yksittäisten molekyylien välillä katkeavat. Voisi kuvitella, että ionisten vuorovaikutusten katkaiseminen vaatisi hyvin suuren energiamäärän (olemme jo nähneet, että timantit eivät liukene veteen, koska varsinaiset kovalenttiset sidokset on katkaistava). Tämä olisi totta, jos tarkasteltaisiin vain ionisten vuorovaikutusten katkaisemiseen tarvittavaa energiaa, kuten osoittaa se, että NaCl sulaa 801 oC:ssa ja kiehuu 1413 oC:ssa. Tiedämme kuitenkin, että NaCl:n kaltaiset aineet liukenevat helposti veteen, joten on selvää, että kyse on jostain muusta. Temppu on tarkastella koko systeemiä, kun NaCl liukenee, aivan kuten teimme molekyylilajien kohdalla. Meidän on otettava huomioon vuorovaikutukset, jotka katkeavat, ja vuorovaikutukset, jotka muodostuvat. Nämä vuorovaikutusten muutokset näkyvät ΔH-termissä (kaavasta ΔG = ΔH – TΔS).

Kun NaCl-kide joutuu kosketuksiin veden kanssa, vesimolekyylit vuorovaikuttavat kiteen pinnalla olevien Na+- ja Cl-ionien kanssa, kuten kuvassa näkyy. Vesimolekyylien positiiviset päät (vedyt) ovat vuorovaikutuksessa kloridi-ionien kanssa, kun taas vesimolekyylien negatiivinen pää (happi) on vuorovaikutuksessa natriumionien kanssa. Kiinteän aineen pinnalla oleva ioni on siis vuorovaikutuksessa liuoksen vesimolekyylien kanssa; nämä vesimolekyylit VisChem animaatio molekyyleistä muodostavat dynaamisen klusterin ionin ympärille. Na:n hydratoitumista kuvaava lämpöliike (joka heijastaa molekyylien kineettistä energiaa, eli +-ionin NaCl-pinnalla.
liike, jota ohjaavat törmäykset systeemin muiden molekyylien kanssa) siirtää sitten ionin ja sen vesikuoren liuokseen.116 Vesikuori on erittäin dynaaminen – molekyylit tulevat siihen ja poistuvat siitä. Ionien ja vesimolekyylien välinen ionidipolivuorovaikutus voi olla hyvin voimakkaasti stabiloiva (- ΔH). Prosessia, jossa liuotinmolekyylit vuorovaikuttavat liuenneiden molekyylien kanssa ja stabiloivat niitä liuoksessa, kutsutaan solvaatioksi. Kun liuottimena on vesi, prosessia kutsutaan hydrataatioksi.

Vastauskysymykset

  • Piirrä molekyylitason kuva NaCl-liuoksesta. Näytä kaikki liuoksessa esiintyvät hiukkaslajit ja vuorovaikutukset.

  • Kun laskemme ja mittaamme termodynaamisia suureita (kuten ΔH, ΔS ja ΔG), miksi on tärkeää määritellä systeemi ja ympäristö?

  • Kun aine liukenee veteen, mikä on systeemi ja mikä on ympäristö? Miksi? Millä kriteereillä määrittelisit systeemin ja ympäristön?

  • Mitä vuorovaikutussuhteita NaCl:stä ja vedestä valmistetussa liuoksessa on voitettava NaCl:n liukenemisen aikana? Mitä uusia vuorovaikutuksia muodostuu liuoksessa?

  • Jos lämpötila nousee liuosta muodostettaessa, mitä voimme päätellä rikkoutuvien ja muodostuvien vuorovaikutusten suhteellisesta voimakkuudesta? Mitä voimme päätellä, jos lämpötila laskee?

  • Mittaessasi liuoksen lämpötilaa, mittaatko systeemiä vai ympäristöä?

Pohdittavia kysymyksiä

  • Miksi ionin ympärillä oleva vesikuori ei ole stabiili?

  • Mitä ovat biologisen systeemin rajat?

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.