Waterige oplossingen en hydratatiehittes

Ionische opgeloste stoffen worden bij elkaar gehouden door aantrekkende interacties die coulombkrachten worden genoemd. Wanneer ionische opgeloste stoffen worden opgelost in water, breken de waterstofbruggen tussen de watermoleculen en verstoren de Coulomb-krachten tussen de ionen. Het op deze manier opbreken van een ionisch kristalrooster in zijn samenstellende ionen vereist een grote energie-input en daarom is de enthalpie van de opgeloste stof een endotherm proces.

De energie die vrijkomt wanneer een mol ionische vaste stof wordt gevormd uit de samenstellende gasvormige ionen, wordt de roosterenergie genoemd en is altijd exotherm. De enthalpie om één mol van de opgeloste stof in zijn componenten te breken, is dus gelijk aan en tegengesteld aan de roosterenergie. Wanneer echter een ionenrooster wordt gebroken in een waterige oplossing, wordt elk ion omgeven en gestabiliseerd door ion-dipoolinteracties met het tegengesteld geladen uiteinde van de waterdipool.

Dit fenomeen wordt hydratatie genoemd. De enthalpie-verandering die gepaard gaat met het oplossen van één mol ionen in water staat bekend als de hydratatiewarmte. Het is een combinatie van de enthalpie van het oplosmiddel en de enthalpie van het mengen.

Omdat de ion-dipool-interacties tussen een gehydrateerd ion en de watermoleculen veel sterker zijn dan de waterstofbruggen in alleen water, is hydratatie altijd een exotherm proces. De totale enthalpie van de oplossing is een som van de endotherme enthalpie van de opgeloste stof en de exotherme hydratatiewarmte en hangt daarom af van de relatieve grootte van deze twee termen. Als de enthalpie van de opgeloste stof kleiner is dan de hydratatiewarmte, zal de enthalpie van de oplossing negatief zijn en zal het oplossen exotherm zijn zoals te zien is in een natriumhydroxideoplossing.

Als de enthalpie van de opgeloste stof groter is dan de hydratatiewarmte, zal de enthalpie van de oplossing positief zijn en zal het oplossen endotherm zijn zoals in een ammoniumchloride-oplossing. Als de enthalpie van de opgeloste stof veel groter is dan de hydratatiewarmte, blijft de opgeloste stof onoplosbaar in water zoals te zien is in het geval van calciumsulfaat. Als de twee termen bijna gelijk zijn, zal de enthalpie van de oplossing bijna nul zijn, net als voor natriumchloride.

Dergelijke opgeloste stoffen veranderen de temperatuur van de oplossing niet.