2.4: Entropía y solvatación

El proceso de rodear un soluto con solvente se llama solvatación. Implica distribuir uniformemente el soluto dentro del disolvente. La regla general para determinar un disolvente para un compuesto determinado es que lo semejante disuelve lo semejante. Un buen disolvente tiene características moleculares similares a las del compuesto a disolver. Por ejemplo, las soluciones polares disuelven solutos polares y los disolventes apolares disuelven solutos apolares. Un disolvente polar es un disolvente que tiene una constante dieléctrica alta (ϵ ≥ 15); Un disolvente apolar es aquel que tiene una constante dieléctrica baja. La constante dieléctrica está definida por la ley electrostática, que da la energía de interacción E entre dos iones con cargas respectivas q₁ y q₂ separados por una distancia r. Un disolvente polar separa o protege eficazmente los iones entre sí. Por lo tanto, la tendencia de los iones con cargas opuestas a asociarse es menor en un disolvente polar que en un disolvente apolar.

En el caso de un hidrocarburo y agua, uno es polar (agua) y el otro es apolar (hidrocarburo). Al introducir moléculas de hidrocarburos en el agua, las moléculas de agua a lo largo de la interfaz hidrocarburo-agua forman una disposición similar a una capa llamada capa de disolvente alrededor de cada molécula de hidrocarburo. El agua dentro de estas disposiciones en forma de conchas está más ordenada y tiene menor entropía en comparación con el agua en el solvente. Dado que cualquier sistema en la naturaleza intenta alcanzar un estado de máxima entropía, el sistema intenta minimizar las interacciones entre los hidrocarburos y el agua, lo que da como resultado la formación de capas separadas de hidrocarburos y agua. Esta separación impulsada por la entropía entre hidrocarburos y agua se denomina efecto hidrofóbico.

Dado que la entropía es el factor determinante de la insolubilidad de los hidrocarburos en agua, la temperatura del sistema también influye en el proceso, por ejemplo en los hidratos de gas o clatratos, una de las mayores reservas de gas natural. Los hidratos de gas son formas sólidas cristalinas de agua y gas. Se forman cuando el metano y el agua se congelan bajo altas presiones y bajas temperaturas. Las moléculas de hidrocarburos están encerradas dentro de jaulas estables de hielo, que tienen espacios abiertos relativamente grandes dentro de su estructura cristalina. Las moléculas de hidrocarburos encajan dentro de estos agujeros, lo que permite predecir el tamaño máximo de las moléculas de hidrocarburos que pueden formar clatratos.

La entropía, S, refleja la probabilidad de alcanzar un estado dado en un sistema. En un sistema aislado, un proceso ocurre espontáneamente cuando provoca un aumento en la entropía total.

El cambio en la entropía resultante de la formación de la solución, llamada entropía de mezcla, o _mezcla ΔS, es independiente de cualquier interacción intermolecular.

Durante la formación de la solución, el soluto y el solvente se mezclan y el soluto se dispersa en el solvente. Las moléculas de disolvente que interactúan directamente con las moléculas de soluto se denominan colectivamente cáscara de disolvente o jaula de disolvente.

Debido a la formación de capas de disolvente, el disolvente tiene menos configuraciones energéticamente equivalentes que el soluto, y el soluto gana entropía a expensas de la energía del disolvente.

Cuando un hidrocarburo se disuelve en agua, las moléculas de agua en la interfaz agua-hidrocarburo se reorganizan para maximizar el número de enlaces de hidrógeno que forman entre sí. Parte del agua del disolvente se transforma en el agua de las cáscaras del disolvente, lo que da lugar a una jaula de disolvente alrededor de cada molécula de hidrocarburo.

El agua en la capa de solvente tiene una disposición más ordenada y una libertad de movimiento reducida en comparación con el agua solvente. Esto reduce la entropía del agua en la capa del solvente en comparación con la del agua solvente. Por lo tanto, la disolución va acompañada de una reducción de la entropía.

Alternativamente, si las moléculas de hidrocarburo se agrupan, el agua de solvatación de baja entropía se libera para convertirse en agua solvente de mayor entropía, aumentando así la entropía.

Esta separación impulsada por la entropía de las moléculas de hidrocarburo y agua se conoce como efecto hidrofóbico. La aglomeración de hidrocarburos se ve favorecida debido al aumento asociado de la entropía, lo que da lugar a capas separadas de hidrocarburo y agua.