12.4: Водные растворы и теплота гидратации

Вода и другие полярные молекулы притягиваются к ионам. электростатическое притяжение между ионом и молекулой с диполами называется ион-дипольный аттракцион. Эти аттракционы играют важную роль в растворении ионных соединений в воде.

Когда ионные соединения растворяются в воде, ионы в твердом веществе разделяются и равномерно распределяются по всей раствор, так как молекулы воды окружают и разливают ионы, уменьшая сильные электростатические силы между ними. Этот процесс представляет собой физическое изменение, известное как диссоциация. В большинстве случаев ионные соединения будут практически полностью разъединяться при растворении, и поэтому они классифицируются как сильные электролиты. Даже удивительно, что растворимые ионные соединения являются сильными электролитами, так как малое растворимое количество будет полностью диссоциировать.

Подумайте, что происходит на микроскопическом уровне, когда в воду добавляется твердый KCl. Ионодипольные силы притягивают положительный (водородный) конец молекул полярной воды к отрицательным ионам хлорида на поверхности твердого тела, и они притягивают отрицательные (кислородные) концы к положительным ионам калия. Молекулы воды окружают отдельные ионы K+ и CL-, уменьшая сильные интерионные силы, связывающие ионы друг с другом и позволяя им переместиться в раствор в качестве разрешимости ионов. Преодоление электростатическое притяжение позволяет осуществлять независимое движение каждого гидрированного иона в разбавленном раствор, так как ионы переходят из фиксированных положений в нерастворенном соединении в широко рассредоточенные, разрешимость ионы в раствор.

Этот текст адаптирован к Openstax, Химия 2е изд., раздел 11.2: Электролиты.

Ионные растворенные вещества удерживаются вместе за счет взаимодействий притяжения, называемых кулоновскими силами. Когда ионные растворенные вещества растворяются в воде, водородные связи между молекулами воды разрываются, и кулоновские силы между ионами разрушаются. Разделение ионной кристаллической решетки на составляющие ионы таким путём требует больших затрат энергии и, таким образом, энтальпия растворённого вещества соответствует эндотермическому процессу.

Энергия, выделяющаяся при образовании одного моля ионного твердого вещества из составляющих газообразных ионов, называется энергией решетки, и реакция всегда является экзотермической. Таким образом, энтальпия разрушения одного моля растворенного вещества на компоненты равна энергии решетки и противоположна ей. Однако, когда ионная решетка в водном растворе разрушается, каждый ион окружается и стабилизируется посредством ионно-дипольного взаимодействия с противоположно заряженным концом диполя молекулы воды.

Это явление называется гидратацией. Изменение энтальпии, связанное с растворением одного моля ионов в воде, известно как теплота гидратации. Это комбинация энтальпии растворителя и энтальпии смешения.

Поскольку ионно-дипольные взаимодействия между гидратированным ионом и молекулами воды намного сильнее, чем водородные связи только в воде, гидратация всегда является экзотермическим процессом. Общая энтальпия раствора представляет собой сумму эндотермической энтальпии растворенного вещества и экзотермической теплоты гидратации и, следовательно, зависит от относительных величин этих двух членов. Если энтальпия растворенного вещества меньше теплоты гидратации, энтальпия раствора будет отрицательной, и растворение будет экзотермическим, как это видно в растворе гидроксида натрия.

Если энтальпия растворенного вещества больше, чем теплота гидратации, энтальпия раствора будет положительной, а растворение будет эндотермическим, как в растворе хлорида аммония. Если энтальпия растворенного вещества намного больше, чем теплота гидратации, растворенное вещество останется нерастворимым в воде, как это видно в случае сульфата кальция. Если два члена близки к равенству, энтальпия раствора будет почти равна нулю, как и для хлорида натрия.

Такие растворенные вещества не изменяют температуру раствора.