2.4
Entropie et solvatation
Le processus consistant à entourer un soluté de solvant est appelé solvatation. Cela implique de répartir uniformément le soluté dans le solvant. La r…
L’entropie, S, reflète la probabilité d’atteindre un état donné dans un système. Dans un système isolé, un processus se produit spontanément lorsqu’il provoque une augmentation de l’entropie totale.
Le changement d’entropie résultant de la formation d’une solution appelé entropie de mélange, ou mélange ΔS, est indépendant de toute interaction intermoléculaire.
Lors de la formation de la solution, le soluté et le solvant sont mélangés, et le soluté se disperse dans le solvant. Les molécules de solvant qui interagissent directement avec les molécules de soluté sont collectivement appelées coquille de solvant ou cage de solvant.
En raison de la formation de couches de solvant, le solvant a moins de configurations énergétiquement équivalentes que le soluté, et le soluté gagne en entropie au détriment de l’énergie du solvant.
Lorsqu’un hydrocarbure est dissous dans l’eau, les molécules d’eau à l’interface eau-hydrocarbure se réorganisent pour maximiser le nombre de liaisons hydrogène qu’elles établissent les unes avec les autres. Une partie de l’eau de solvant est transformée dans l’eau des coquilles de solvant, ce qui donne une cage de solvant autour de chaque molécule d’hydrocarbure.
L’eau dans l’enveloppe du solvant a une disposition plus ordonnée et une liberté de mouvement réduite par rapport à l’eau de solvant. Cela réduit l’entropie de l’eau dans l’enveloppe du solvant par rapport à celle de l’eau du solvant. Ainsi, la dissolution s’accompagne d’une réduction de l’entropie.
Alternativement, si les molécules d’hydrocarbures s’agglutinent, l’eau de solvatation à faible entropie est libérée pour devenir de l’eau solvant à plus haute entropie, augmentant ainsi l’entropie.
Cette séparation des molécules d’hydrocarbures et d’eau induite par l’entropie est appelée effet hydrophobe. L’agglomération des hydrocarbures est favorisée en raison de l’augmentation associée de l’entropie, ce qui entraîne des couches d’hydrocarbures et d’eau séparées.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: What is entropy of mixing and how does it relate to solution formation?
Entropy of mixing, or ΔSmixing, is the change in entropy when a solute and solvent combine during solution formation. This entropy change is independent of intermolecular interactions. During mixing, the solute disperses throughout the solvent, and solvent molecules directly interacting with solute molecules form a solvent shell or solvent cage around each solute particle.
Q2: Why does dissolving a hydrocarbon in water result in entropy loss?
When hydrocarbons dissolve in water, water molecules at the hydrocarbon-water interface rearrange to maximize hydrogen bonding with each other. This creates an ordered solvent shell with reduced motional freedom around each hydrocarbon molecule. The water in this shell has lower entropy than bulk solvent water, resulting in an overall entropy decrease during dissolution.
Q3: What is the hydrophobic effect and why does it occur?
The hydrophobic effect is the entropy-driven separation of hydrocarbon and water molecules. When hydrocarbons clump together, the low-entropy solvation water is released to become higher-entropy solvent water, increasing total system entropy. This entropy gain favors hydrocarbon aggregation and the formation of separate hydrocarbon and water layers over dissolution.
Q4: How does the dielectric constant determine solvent polarity and solubility?
The dielectric constant measures a solvent's ability to shield ions from electrostatic interactions. Polar solvents have high dielectric constants (ϵ ≥ 15) and effectively separate oppositely charged ions, reducing their tendency to associate. Apolar solvents have low dielectric constants and provide poor ion separation. The rule of thumb is that like dissolves like: polar solvents dissolve polar solutes, and apolar solvents dissolve apolar solutes.
Q5: What are gas hydrates and how do hydrocarbon molecules fit within them?
Gas hydrates are crystalline solid forms of water and gas that form when methane and water freeze under high pressure and low temperature. The ice crystal structure contains relatively large open spaces where hydrocarbon molecules fit within the holes. This arrangement allows prediction of the maximum size of hydrocarbon molecules capable of forming clathrates, making gas hydrates one of the largest natural gas reserves.
Q6: How does temperature influence the hydrophobic effect and hydrocarbon solubility?
Since entropy is the driving factor of hydrocarbon insolubility in water, temperature significantly influences the process. Lower temperatures and high pressures favor gas hydrate formation, where hydrocarbon molecules become enclosed within stable ice cages. Temperature changes alter the entropy balance between solvation and phase separation, affecting whether hydrocarbons remain dissolved or aggregate.
Q7: What molecular characteristics should a good solvent have for dissolving a specific compound?
A good solvent has molecular characteristics similar to those of the compound to be dissolved, following the principle that like dissolves like. Polar solvents with high dielectric constants effectively dissolve polar solutes by shielding ionic interactions, while apolar solvents with low dielectric constants dissolve apolar solutes. Matching solvent and solute polarity maximizes favorable interactions and solubility.