6.3.2: Solubility of Ionic Compounds: Salts

Polarne związki mają tendencję do rozpuszczania się w wodzie, a my możemy rozszerzyć tę ogólność do najbardziej polarnych związków wszystkich związków jonowych. Sól kuchenna, czyli chlorek sodu (NaCl), najbardziej rozpowszechniony związek jonowy, jest rozpuszczalna w wodzie (360 g/L). Przypomnijmy, że NaCl jest kryształem soli składającym się nie z dyskretnych cząsteczek NaCl, ale raczej z wydłużonego szeregu jonów Na+ i Cl- związanych ze sobą w trzech wymiarach poprzez oddziaływania elektrostatyczne. Kiedy NaCl rozpuszcza się w wodzie, oddziaływania elektrostatyczne wewnątrz kryształu muszą zostać przerwane. W przeciwieństwie do tego, gdy związki molekularne rozpuszczają się w wodzie, to siły międzycząsteczkowe pomiędzy poszczególnymi cząsteczkami zostają zakłócone. Można sobie wyobrazić, że zerwanie oddziaływań jonowych wymagałoby bardzo dużego nakładu energii (widzieliśmy już, że diamenty nie rozpuszczają się w wodzie, ponieważ rzeczywiste wiązania kowalencyjne muszą zostać zerwane). Byłoby to prawdą, gdybyśmy brali pod uwagę tylko energię potrzebną do zerwania oddziaływań jonowych, na co wskazuje fakt, że NaCl topi się w temperaturze 801 oC, a wrze w temperaturze 1413 oC. Ale wiemy, że substancje takie jak NaCl łatwo rozpuszczają się w wodzie, więc najwyraźniej dzieje się coś jeszcze. Sztuczka polega na tym, aby rozważyć cały system, kiedy NaCl rozpuszcza się, tak jak zrobiliśmy to dla gatunków molekularnych. Musimy rozważyć interakcje, które są przerwane i te, które są utworzone. Te zmiany w oddziaływaniach są odzwierciedlone w składniku ΔH (z ΔG = ΔH – TΔS).

Gdy kryształ NaCl wchodzi w kontakt z wodą, cząsteczki wody oddziałują z jonami Na+ i Cl- na powierzchni kryształu, jak pokazano na rysunku. Dodatnie końce cząsteczek wody (hydrogeny) oddziałują z jonami chlorkowymi, podczas gdy ujemny koniec cząsteczek wody (tlen) oddziałuje z jonami sodu. Tak więc jon na powierzchni ciała stałego oddziałuje z cząsteczkami wody z roztworu; te cząsteczki wody VisChem animation from tworzą dynamiczne skupisko wokół jonu. Ruch termiczny obrazujący hydratację jonu Na (który odzwierciedla energię kinetyczną molekuł, czyli jonu + na powierzchni NaCl.
ruch napędzany zderzeniami z innymi molekułami w układzie) przesuwa następnie jon i jego otoczkę wodną do roztworu.116 Otoczka wodna jest bardzo dynamiczna – molekuły wchodzą i wychodzą z niej. Oddziaływanie jon-dipol pomiędzy jonami i cząsteczkami wody może być bardzo silnie stabilizujące (- ΔH). Proces, w którym cząsteczki rozpuszczalnika oddziałują z cząsteczkami solutu w roztworze i stabilizują je, nazywamy solwatacją. Gdy rozpuszczalnikiem jest woda, proces ten nazywamy hydratacją.

Pytania do odpowiedzi

  • Narysuj na poziomie molekularnym obraz roztworu NaCl. Pokaż wszystkie rodzaje cząsteczek i oddziaływań występujących w roztworze.

  • Gdy obliczamy i mierzymy wielkości termodynamiczne (takie jak ΔH, ΔS i ΔG), dlaczego ważne jest określenie układu i jego otoczenia? Dlaczego? Jakie kryteria zastosowałbyś do określenia układu i otoczenia?

  • W przypadku roztworu sporządzonego z NaCl i wody, jakie oddziaływania muszą być pokonane w miarę przechodzenia NaCl do roztworu? Jakie nowe oddziaływania powstają w roztworze?

  • Jeśli temperatura wzrasta podczas tworzenia roztworu, co możemy wywnioskować o względnej sile oddziaływań, które są zrywane i tych, które są tworzone? Co możemy wywnioskować, jeśli temperatura spada?

  • Gdy mierzymy temperaturę roztworu, to czy mierzymy układ czy otoczenie?

Pytania do przemyślenia

  • Dlaczego powłoka wodna wokół jonu nie jest stabilna?

  • Jakie są granice układu biologicznego?

.

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.