Formarea soluțiilor chimice

Formarea unei soluții chimice este un exemplu de proces spontan, un proces care are loc în condiții specificate fără necesitatea unei energii dintr-o sursă externă. Uneori, un amestec este agitat pentru a accelera procesul de dizolvare, dar acest lucru nu este necesar; se va forma în cele din urmă o soluție omogenă. Tema spontaneității este extrem de importantă pentru studiul termodinamicii chimice și este tratată mai amănunțit într-un capitol ulterior al acestei cărți. În scopul dezbaterii acestui capitol, va fi suficient să luăm în considerare două criterii care favorizează, dar nu garantează, formarea spontană a unei soluții:

• o scădere a energiei interne a sistemului (o schimbare exotermă, așa cum s-a discutat în capitolul anterior despre termochimie)
• o dispersie crescută a materiei în sistem (ceea ce indică o creștere a entropiei sistemului, după cum veți afla în capitolul ulterior despre termodinamică)

În procesul de dizolvare, o schimbare de energie internă are loc adesea, dar nu întotdeauna, pe măsură ce căldura este absorbită sau evoluată. O creștere a dispersării materiei rezultă întotdeauna atunci când o soluție se formează din distribuția uniformă a moleculelor de dizolvat într-un solvent.

Atunci când puterile forțelor intermoleculare de atracție dintre speciile de dizolvat și de solvenți dintr-o soluție nu sunt diferite de cele prezente în componentele separate, soluția se formează fără schimbare de energie însoțitoare. O astfel de soluție se numește soluție ideală. Un amestec de gaze ideale (sau gaze precum heliu și argon, care se apropie mult de comportamentul ideal) este un exemplu de soluție ideală, deoarece entitățile care cuprind aceste gaze nu experimentează atracții intermoleculare semnificative.

Când containerele de heliu și argon sunt conectate, gazele se amestecă spontan datorită difuziei și formează o soluție (Figura 11.3). Formarea acestei soluții implică în mod clar o creștere a dispersării materiei, deoarece atomii de heliu și argon ocupă un volum de două ori mai mare decât cel pe care îl ocupa fiecare înainte de amestecare.

Figura 11.3 Eșantioanele de heliu și argon se amestecă spontan rezultând o soluție.

Soluțiile ideale se pot forma și atunci când sunt amestecate lichide similare structural. De exemplu, amestecurile de alcooli metanol (CH₃OH) și etanol (C₂H₅OH) formează soluții ideale, la fel ca amestecurile de hidrocarburi pentan, C₅H₁₂ și hexan, C₆H₁₄. Plasarea metanolului și etanolului, sau a pentanului și a hexanului, în baloanele prezentate în Figura 11.3, va avea ca rezultat aceeași difuzie și amestecare ulterioară a acestor lichide așa cum se observă pentru gazele He și Ar (deși într-un ritm mult mai lent), obținând soluții cu nicio schimbare semnificativă a energiei. Spre deosebire de un amestec de gaze, totuși, componentele acestor soluții lichid-lichid experimentează, într-adevăr, forțe atractive intermoleculare. Dar, deoarece moleculele celor două substanțe care se amestecă sunt foarte asemănătoare din punct de vedere structural, forțele de atracție intermoleculare dintre molecule asemănătoare și neasemănătoare sunt în esență aceleași, iar procesul de dizolvare, prin urmare, nu implică nicio creștere sau scădere apreciabilă a energiei. Aceste exemple ilustrează modul în care dispersarea crescută a materiei poate furniza singură forța motrice necesară pentru a provoca formarea spontană a unei soluții. În unele cazuri, totuși, mărimile relative ale forțelor intermoleculare de atracție dintre speciile de dizolvat și de solvenți pot împiedica dizolvarea.

Trei tipuri de forțe de atracție intermoleculare sunt relevante pentru procesul de dizolvare: solut-solut, solvent-solvent și solut-solvent. După cum este ilustrat în Figura 11.4, formarea unei soluții poate fi privită ca un proces în etape în care energia este consumată pentru a depăși atracțiile solut-solut și solvent-solvent (procese endoterme) și eliberată atunci când sunt stabilite atracții solut-solvent (un proces exoterm denumit solvatare). Mărimile relative ale modificărilor de energie asociate cu aceste procese treptate determină dacă procesul de dizolvare în ansamblu va elibera sau va absorbi energie. În unele cazuri, soluțiile nu se formează deoarece energia necesară pentru a separa speciile de dizolvat și de solvenți este mult mai mare decât energia eliberată prin solvatare.

Figura 11.4 Această schemă reprezintă formarea directă a unei soluții ca proces ipotetic în trepte. Etapele 1 și 2 implică separarea/expansiunea moleculelor de solut și solvent, ambele necesită o intrare de energie pentru a depăși atracțiile intermoleculare și sunt astfel endoterme. Etapa 3 implică stabilirea forțelor atractive intermoleculare între moleculele de dizolvat și de solvent (solvatare) și, prin urmare, este exotermă.

Luați în considerare exemplul unui compus ionic care se dizolvă în apă. Formarea soluției necesită depășirea completă a forțelor electrostatice dintre cationii și anionii compusului (solut-solut), pe măsură ce se stabilesc forțe de atracție între acești ioni și moleculele de apă (solut-solvent). Legăturile de hidrogen dintre o fracțiune relativ mică a moleculelor de apă trebuie, de asemenea, depășită pentru a permite orice substanță dizolvată. Dacă forțele electrostatice ale substanței dizolvate sunt semnificativ mai mari decât forțele de solvatare, procesul de dizolvare este semnificativ endoterm și este posibil ca compusul să nu se dizolve într-o măsură apreciabilă. Carbonatul de calciu, componenta majoră a recifelor de corali, este un exemplu de astfel de compus ionic „insolubil” (vezi Figura 11.1). Pe de altă parte, dacă forțele de solvatare sunt mult mai puternice decât forțele electrostatice ale compusului, dizolvarea este semnificativ exotermă și compusul poate fi foarte solubil. Un exemplu comun al acestui tip de compus ionic este hidroxidul de sodiu, cunoscut în mod obișnuit sub numele de leșie.

După cum s-a menționat la începutul acestui modul, formarea spontană a soluției este favorizată, dar nu garantată, de procesele de dizolvare exotermă. În timp ce mulți compuși solubili, într-adevăr, se dizolvă odată cu eliberarea de căldură, unii se dizolvă endotermic. Azotatul de amoniu (NH₄NO₃) este un astfel de exemplu și este folosit pentru a face comprese instantaneu, precum cea din figura 11.5, care sunt utilizate pentru tratarea leziunilor. O pungă de apă cu pereți subțiri de plastic este sigilată într-o pungă mai mare cu NH₄NO₃ solid. Când punga mai mică este spartă, se formează o soluție de NH₄NO₃, care absoarbe căldura din împrejurimi (zona vătămată pe care se aplică compresa) și asigură o compresă rece care scade umflarea. Dizolvarile endoterme precum aceasta necesită un aport de energie mai mare pentru a separa speciile de dizolvat decât este recuperat atunci când soluțiile sunt solvatate, dar sunt totuși spontane din cauza creșterii dezordinei care însoțește formarea soluției.

Figura 11.5 O compresă rece instant se răcește atunci când anumite săruri, cum ar fi azotatul de amoniu, se dizolvă în apă – un proces endoterm.

Sursa: Chemistry 2e, by OpenStax, access for free at https://openstax.org. ©2020 Rice University, licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu, © 2024 MultiMedia Publishing