2.4: Entropia e solvatação

O processo de envolver um soluto com solvente é chamado de solvatação. Envolve distribuir uniformemente o soluto dentro do solvente. A regra para determinar um solvente para determinado composto é que semelhante dissolve semelhante. Um bom solvente possui características moleculares semelhantes às do composto a ser dissolvido. Por exemplo, soluções polares dissolvem solutos polares e solventes apolares dissolvem solutos apolares. Um solvente polar é um solvente que possui uma constante dielétrica alta (ϵ ≥ 15); um solvente apolar é aquele com baixa constante dielétrica. A constante dielétrica é definida pela lei da eletrostática, que fornece a energia de interação E entre dois íons com cargas respectivas q₁ e q₂ separados por uma distância r. Um solvente polar separa ou protege efetivamente os íons uns dos outros. Portanto, a tendência de associação de íons com cargas opostas é menor em um solvente polar do que em um solvente apolar.

No caso de um hidrocarboneto e água, um é polar (água) e o outro é apolar (hidrocarboneto). Na introdução de moléculas de hidrocarbonetos na água, as moléculas de água ao longo da interface hidrocarboneto-água formam uma estrutura semelhante a uma concha chamada camada de solvatação em torno de cada molécula de hidrocarboneto. A água dentro desses arranjos em forma de concha é mais ordenada e tem menor entropia em comparação com a água no solvente. Como qualquer sistema na natureza tenta atingir um estado de entropia máxima, o sistema busca minimizar as interações entre hidrocarbonetos e água, resultando na formação de camadas separadas de hidrocarbonetos e água. Essa separação impulsionada pela entropia entre hidrocarbonetos e água é denominada efeito hidrofóbico.

Como a entropia é o fator determinante da insolubilidade dos hidrocarbonetos na água, a temperatura do sistema também influencia o processo, por exemplo, nos hidratos ou clatratos gasosos, uma das maiores reservas de gás natural. Hidratos gasosos são formas sólidas cristalinas de água e gás. Eles se formam quando o metano e a água congelam sob altas pressões e baixas temperaturas. As moléculas de hidrocarbonetos são confinadas em gaiolas estáveis ​​de gelo, que possuem espaços abertos relativamente grandes dentro de sua estrutura cristalina. As moléculas de hidrocarbonetos se encaixam nesses espaços, possibilitando prever o tamanho máximo das moléculas de hidrocarbonetos que podem formar clatratos.

A entropia, S, reflete a probabilidade de atingir um determinado estado em um sistema. Em um sistema isolado, um processo ocorre espontaneamente quando causa um aumento na entropia total.

A mudança na entropia resultante da formação da solução chamada entropia de mistura, ou _mistura ΔS, é independente de quaisquer interações intermoleculares.

Durante a formação da solução, o soluto e o solvente são misturados e o soluto se dispersa no solvente. As moléculas de solvente que interagem diretamente com as moléculas de soluto são chamadas coletivamente de invólucro de solvente ou gaiola de solvente.

Devido à formação de cascas de solvente, o solvente tem menos configurações energeticamente equivalentes do que o soluto, e o soluto ganha entropia às custas da energia do solvente.

Quando um hidrocarboneto é dissolvido em água, as moléculas de água na interface água-hidrocarboneto se reorganizam para maximizar o número de ligações de hidrogênio que fazem umas com as outras. Alguma água solvente é transformada na água das cascas de solvente, resultando em uma gaiola de solvente ao redor de cada molécula de hidrocarboneto.

A água no invólucro do solvente tem um arranjo mais ordenado e liberdade de movimento reduzida em comparação com a água do solvente. Isso reduz a entropia da água no invólucro do solvente em comparação com a da água do solvente. Assim, a dissolução é acompanhada por uma redução na entropia.

Alternativamente, se as moléculas de hidrocarbonetos se aglomerarem, a água de solvatação de baixa entropia é liberada para se tornar água solvente de maior entropia, aumentando assim a entropia.

Essa separação de moléculas de hidrocarbonetos e água impulsionada por entropia é chamada de efeito hidrofóbico. A aglomeração de hidrocarbonetos é favorecida devido ao aumento associado da entropia, resultando em camadas separadas de hidrocarbonetos e água.