6.3.2: Joniska föreningars löslighet: Salter

Polära föreningar tenderar att lösa sig i vatten, och vi kan utvidga denna generalitet till de mest polära föreningarna av alla joniska föreningar. Bordsalt, eller natriumklorid (NaCl), den vanligaste joniska föreningen, är löslig i vatten (360 g/L). Kom ihåg att NaCl är en saltkristall som inte består av diskreta NaCl-molekyler utan snarare av en utbredd uppsättning Na+- och Cl-joner som är bundna till varandra i tre dimensioner genom elektrostatiska interaktioner. När NaCl löses upp i vatten måste de elektrostatiska interaktionerna inom kristallen brytas. När molekylära föreningar löses upp i vatten är det däremot de intermolekylära krafterna mellan separata molekyler som bryts. Man skulle kunna föreställa sig att brytningen av joniska interaktioner skulle kräva en mycket hög energiåtgång (vi har redan sett att diamanter inte löser sig i vatten eftersom faktiska kovalenta bindningar måste brytas). Detta skulle vara sant om vi bara tog hänsyn till den energi som krävs för att bryta de joniska interaktionerna, vilket framgår av det faktum att NaCl smälter vid 801 oC och kokar vid 1413 oC. Men vi vet att ämnen som NaCl lätt löser sig i vatten, så det är uppenbart att det är något annat som händer. Tricket är att betrakta hela systemet när NaCl löses upp, precis som vi gjorde för molekylära arter. Vi måste ta hänsyn till de interaktioner som bryts och de som bildas. Dessa förändringar i interaktionerna återspeglas i ΔH-termen (från ΔG = ΔH – TΔS).

När en NaCl-kristall kommer i kontakt med vatten interagerar vattenmolekylerna med Na+- och Cl-jonerna på kristallens yta, vilket visas i figuren. Vattenmolekylernas positiva ändar (väte) interagerar med kloridjonerna, medan vattenmolekylernas negativa ändar (syre) interagerar med natriumjonerna. Jonerna på fastämnets yta interagerar alltså med vattenmolekyler från lösningen; dessa vattenmolekyler bildar ett dynamiskt kluster runt jonen. Termisk rörelse som skildrar hydrering av en Na (som speglar molekylernas kinetiska energi, det vill säga +-jonen på en NaCl-yta.
rörelse som drivs av kollisioner med andra molekyler i systemet) förflyttar sedan jonen och dess vattenhölje in i lösningen.116 Vattenhöljet är mycket dynamiskt – molekyler kommer in i och lämnar det. Jon-dipolinteraktionen mellan joner och vattenmolekyler kan vara mycket starkt stabiliserande (- ΔH). Den process genom vilken lösningsmedelsmolekyler interagerar med och stabiliserar lösningsmedelsmolekyler i lösning kallas för solvation. När vatten är lösningsmedlet kallas processen för hydrering.

Frågor att besvara

  • Rita en bild på molekylnivå av en lösning av NaCl. Visa alla typer av partiklar och interaktioner som finns i lösningen.

  • När vi beräknar och mäter termodynamiska storheter (t.ex. ΔH, ΔS och ΔG), varför är det då viktigt att specificera systemet och omgivningen?

  • När ett ämne löser sig i vatten, vad är då systemet och vad är omgivningen? Varför? Vilka kriterier skulle du använda för att specificera systemet och omgivningen?

  • För en lösning gjord av NaCl och vatten, vilka interaktioner måste övervinnas när NaCl går in i lösningen? Vilka nya interaktioner bildas i lösningen?

  • Om temperaturen stiger när lösningen bildas, vad kan vi då dra för slutsatser om den relativa styrkan hos de interaktioner som bryts och de som bildas? Vad kan vi dra för slutsatser om temperaturen sjunker?

  • När du mäter temperaturen i en lösning, mäter du då systemet eller omgivningen?

Frågor att fundera över

  • Varför är vattenskalet runt en jon inte stabilt?

  • Vad är gränserna för ett biologiskt system?

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.