Entropie und Solvatation

Die Entropie, S, spiegelt die Wahrscheinlichkeit wider, einen bestimmten Zustand in einem System zu erreichen. In einem isolierten System tritt spontan ein Prozess auf, der eine Zunahme der Gesamtentropie verursacht.

Die Änderung der Entropie, die sich aus der Lösungsbildung ergibt, die als Entropie des Mischens oder ΔS-Mischung bezeichnet wird, ist unabhängig von intermolekularen Wechselwirkungen.

Während der Lösungsbildung werden der gelöste Stoff und das Lösungsmittel vermischt, und der gelöste Stoff dispergiert sich in dem Lösungsmittel. Die Lösungsmittelmoleküle, die direkt mit den gelösten Molekülen interagieren, werden zusammenfassend als Lösungsmittelhülle oder Lösungsmittelkäfig bezeichnet.

Aufgrund der Bildung von Lösungsmittelhüllen hat das Lösungsmittel weniger energetisch äquivalente Konfigurationen als der gelöste Stoff, und der gelöste Stoff gewinnt Entropie auf Kosten der Energie aus dem Lösungsmittel.

Wenn ein Kohlenwasserstoff in Wasser gelöst wird, ordnen sich die Wassermoleküle an der Wasser-Kohlenwasserstoff-Grenzfläche neu an, um die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen, die sie miteinander eingehen, zu maximieren. Ein Teil des Lösungsmittelwassers wird in das Wasser der Lösungsmittelhüllen umgewandelt, was zu einem Lösungsmittelkäfig um jedes Kohlenwasserstoffmolekül führt.

Das Wasser in der Lösungsmittelhülle ist im Vergleich zum Lösungsmittelwasser geordneter angeordnet und hat eine geringere Bewegungsfreiheit. Dadurch wird die Entropie des Wassers in der Lösungsmittelhülle im Vergleich zu der des Lösungsmittelwassers verringert. Die Auflösung geht also mit einer Verringerung der Entropie einher.

Wenn die Kohlenwasserstoffmoleküle verklumpen, wird das Solvatationswasser mit niedriger Entropie freigesetzt, um zu Lösungsmittelwasser mit höherer Entropie zu werden, wodurch die Entropie erhöht wird.

Diese entropiegetriebene Trennung von Kohlenwasserstoff- und Wassermolekülen wird als hydrophober Effekt bezeichnet. Die Verklumpung von Kohlenwasserstoffen wird aufgrund der damit verbundenen Zunahme der Entropie begünstigt, was zu getrennten Kohlenwasserstoff- und Wasserschichten führt.