2.4: Entropi ve Solvasyon

Bir çözünenin çözücü ile çevrelenmesi işlemine solvasyon denir. Çözünen maddenin çözücü içinde eşit şekilde dağıtılmasını içerir. Belirli bir bileşik için bir çözücünün belirlenmesinde temel kural benzer benzeri çözer şeklindedir. İyi bir çözücü, çözünecek bileşiğinkine benzer moleküler özelliklere sahiptir. Örneğin, polar çözeltiler polar çözünenleri çözer ve apolar çözücüler apolar çözünenleri çözer. Polar bir çözücü, yüksek dielektrik sabitine (ϵ ≥ 15) sahip bir çözücüdür; apolar bir çözücü, düşük dielektrik sabitine sahip olandır. Dielektrik sabiti, r mesafesiyle ayrılmış ilgili q₁ ve q₂ yüklerine sahip iki iyon arasındaki etkileşim enerjisini (E) veren elektrostatik yasa ile tanımlanır. Polar bir çözücü, iyonları birbirinden etkili bir şekilde ayırır veya korur. Bu nedenle, zıt yüklü iyonların birleşme eğilimi, polar bir çözücüde, apolar bir çözücüye göre daha azdır.

Bir hidrokarbon ve su durumunda, biri polardır (su), diğeri ise apolardır (hidrokarbon). Hidrokarbon moleküllerinin suya girmesiyle, hidrokarbon-su arayüzündeki su molekülleri, her hidrokarbon molekülünün etrafında çözücü kabuk adı verilen kabuk benzeri bir düzenleme oluşturur. Bu kabuk benzeri düzenlemeler içindeki su, çözücü içindeki suya kıyasla daha düzenlidir ve daha düşük entropiye sahiptir. Doğadaki her sistem maksimum entropi durumuna ulaşmaya çalıştığından, sistem hidrokarbon ve su arasındaki etkileşimleri en aza indirmeye çalışır ve bunun sonucunda ayrı hidrokarbon ve su katmanları oluşur. Hidrokarbon ve su arasındaki bu entropi kaynaklı ayrılmaya hidrofobik etki adı verilir.

Entropi, hidrokarbonların suda çözünmemesinin itici faktörü olduğundan, sistemin sıcaklığı da, örneğin en büyük doğalgaz rezervlerinden biri olan gaz hidratlar veya klatratlardaki süreci etkiler. Gaz hidratlar, su ve gazın kristal katı formlarıdır. Metan ve suyun yüksek basınç ve düşük sıcaklıklarda donması sonucu oluşurlar. Hidrokarbon molekülleri, kristal yapısında nispeten geniş açık alanlara sahip olan stabil buz kafesleri içerisinde yer alır. Hidrokarbon molekülleri bu deliklere sığar ve klatrat oluşturabilen hidrokarbon moleküllerinin maksimum boyutunun tahmin edilmesini mümkün kılar.

Entropi, S, bir sistemde belirli bir duruma ulaşma olasılığını yansıtır. İzole bir sistemde, toplam entropide bir artışa neden olduğunda bir süreç kendiliğinden gerçekleşir.

Karışım entropisi veya ΔS_karışımı olarak adlandırılan çözelti oluşumundan kaynaklanan entropideki değişiklik, herhangi bir moleküller arası etkileşimden bağımsızdır.

Çözelti oluşumu sırasında, çözünen ve çözücü karışır ve çözünen madde çözücü içinde dağılır. Çözünen moleküllerle doğrudan etkileşime giren çözücü molekülleri, topluca çözücü kabuğu veya çözücü kafesi olarak adlandırılır.

Çözücü kabuklarının oluşumu nedeniyle, çözücü, çözünen maddeden daha az enerjik olarak eşdeğer konfigürasyona sahiptir ve çözünen madde, çözücüden gelen enerji pahasına entropi kazanır.

Bir hidrokarbon suda çözündüğünde, su-hidrokarbon arayüzündeki su molekülleri, birbirleriyle yaptıkları hidrojen bağlarının sayısını en üst düzeye çıkarmak için yeniden düzenlenir. Bir miktar çözücü su, çözücü kabuklarının suyuna dönüştürülür ve her bir hidrokarbon molekülünün etrafında bir çözücü kafesi ile sonuçlanır.

Solvent kabuğundaki su, solvent suyuna kıyasla daha düzenli bir düzenlemeye ve azaltılmış hareket özgürlüğüne sahiptir. Bu, çözücü kabuğundaki suyun entropisini, çözücü suyunkine kıyasla düşürür. Bu nedenle, çözünmeye entropide bir azalma eşlik eder.

Alternatif olarak, hidrokarbon molekülleri bir araya toplanırsa, düşük entropili çözünme suyu, daha yüksek entropili çözücü su haline gelmek üzere salınır ve böylece entropi artar.

Hidrokarbon ve su moleküllerinin bu entropi güdümlü ayrılması, hidrofobik etki olarak adlandırılır. Hidrokarbonların topaklanması, entropideki ilişkili artış nedeniyle tercih edilir, bu da ayrı hidrokarbon ve su katmanları ile sonuçlanır.