Warum lösen sich ' t polare und unpolare Verbindungen nicht gegenseitig auf?

Ganz einfach erklären Sie den Grund für diese Löslichkeitsregel, indem Sie den Energiebedarf für das Aufbrechen intermolekularer Kräfte zwischen den Molekülen im gelösten Stoff und berücksichtigen das Lösungsmittel.

Hinweis: Dies ist nur eine vereinfachte Erklärung, da es auch von anderen Faktoren abhängt, wie z als Änderung der Entropie

Hier einige Hintergrundinformationen zu intermolekularen Kräften. In unpolaren Substanzen gibt es Dispersionskräfte zwischen jedem Molekül. Diese Dispersionskräfte sind relativ schwach und benötigen daher nur wenig Energie, um sie zu brechen. In polaren Substanzen gibt es zwischen jedem Molekül Dipoldipol- und Wasserstoffbrücken (je nach Substanz). Diese Kräfte sind viel stärker als Dispersionskräfte und erfordern mehr Energie zum Brechen.

Betrachten wir nun die folgenden Fälle:

Unpolarer gelöster Stoff und Lösungsmittel

Damit sich der gelöste Stoff auflöst, müssen die Dispersionskräfte zwischen den Molekülen im gelösten Stoff und im Lösungsmittel brechen. Dies erfordert nur sehr wenig Energie. Wenn sich der gelöste Stoff jedoch in dem Lösungsmittel löst, können sie Dispersionskräfte miteinander erzeugen. Die Erzeugung dieser Kräfte setzt sehr wenig Energie frei. Einfach ausgedrückt, es wird sehr wenig Energie benötigt, um die Kräfte zu brechen, und sehr wenig Energie wird freigesetzt, wenn die Kräfte erzeugt werden. Insgesamt gleicht sich also alles aus und der Prozess findet statt.

Unpolarer gelöster Stoff und polares Lösungsmittel (und umgekehrt)

Damit sich der gelöste Stoff in dem Lösungsmittel löst, werden sowohl Dispersionskräfte als auch Dipoldipolkräfte gebrochen, die eine große Energiemenge erfordern. Die Moleküle im gelösten Stoff und im Lösungsmittel können jedoch nur Dispersionskräfte miteinander erzeugen (da sie nicht beide polar sind). Dies setzt nur sehr wenig Energie frei. Daher wird insgesamt mehr Energie benötigt als freigesetzt und somit der Prozess gewonnen. t passiert.

Polarer gelöster Stoff und Lösungsmittel

Damit sich der gelöste Stoff auflöst In das Lösungsmittel werden Dipol-Dipol-Kräfte eingebrochen, die viel Energie erfordern. Wenn sie sich jedoch auflösen, können die Moleküle im gelösten Stoff und im Lösungsmittel Dipoldipolkräfte bilden, die eine große Energiemenge freisetzen. Insgesamt gleicht sich also alles aus und der Prozess findet statt.

TL; DR

It “ s weil die Enthalpieänderungen einer Lösung im Allgemeinen keine Auflösung begünstigen.

Eine längere Version:

Um dies zu erklären, wird normalerweise die Erklärung der Enthalpieänderung gegeben. Lassen Sie uns der Verständlichkeit halber sehen, was passiert, wenn sich zwei Verbindungen auflösen. Nehmen Sie als Beispiel das in Wasser gelöste Ethanol. Hier ist der Kern dessen, was passiert:

1. Die intermolekularen Kräfte (dh Wasserstoffbrückenbindungen in diesem Fall) in Wasser brechen auseinander. $ \ rm \ color {green} {(endotherm)} $
2. Die intermolekularen Kräfte in Ethanol brechen auseinander. $ \ rm \ color {green} {(endotherm)} $
3. Zwischen Ethanol und Wassermolekülen entsteht eine neue Kraft und Anziehungskraft. $ \ rm \ color {red} {(exotherm)} $
   $ \ hspace {12ex} $
   $ \ hspace {22ex} $ _{Ethanol und Wasser bilden Wasserstoffbrücken; Quelle}

Dies geschieht für zwei Arten, die sich ineinander auflösen. Bei ionischen gelösten Stoffen ist die „Bindungsspaltung“ tatsächlich das Gitter, das auseinanderbricht. Sie würden also einen endothermen Prozess mit einem Energiegewinn erwarten, der der Enthalpie der Gitterbildung entspricht.

Sie müssen bei zwei Dingen vorsichtig sein:

• Löslichkeit ist nicht binär. Wir müssen sie normalerweise mit kurzen und verständlichen Worten (dh für ein großes Publikum) angeben und deshalb benutzen wir es. Ist Gips in Wasser so unlöslich wie Calciumcarbonat oder so löslich wie Propansäure ? (Propansäure ist in RTP und STP in Wasser mischbar.)
• Diese “ unpolare Lösung löst sich nicht in polaren “ ist nicht genau. Unpolare gelöste Stoffe sind im Allgemeinen in polaren Lösungsmitteln unlöslich. Wir können uns leicht Ausnahmen vorstellen. Bromwasser ist ein Beispiel für den Anfang, aber sicherlich nicht das bemerkenswerteste Beispiel.

Also das Die Frage, die mir in den Sinn kommt, ist:

Wenn der Auflösungsprozess für polare oder unpolare Moleküle gleich und für Moleküle mit Wasserstoff grob gleich sein soll Bindung und für ionische Verbindungen, warum sind einige gelöste Stoffe in einigen Lösungsmitteln unlöslich?

Wie wir gesehen haben, gibt es zwei endotherme Prozesse und ein exothermer Prozess beteiligt. Ganz einfach ausgedrückt lautet eine rudimentäre Antwort auf Ihre Frage: „, da induzierte Dipole als eine der schwächsten intermolekularen Wechselwirkungen bekannt sind und daher die Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff nicht genügend Energie freisetzen würden gebildet werden, also $ \ Delta H > 0 $ . Dies würde bedeuten, dass es thermodynamisch günstiger für das Lösungsmittel ist -Lösungsmittelwechselwirkung nicht zu unterbrechen und daher keine Auflösung „.

Abschließend würde ich “ Ja, die Polarität des gelösten Stoffes / Lösungsmittels spielt eine wichtige Regel bei der Bestimmung der Löslichkeit oder Unlöslichkeit. Aber das ist nicht die Hälfte davon. “ Eine kleine Übersicht über die Angelegenheit finden Sie weiter unten.

$ \ color {grey} {\ textit {Ich weiß nicht einmal, warum ich das tue.} \\\ \ textit {Eine allgemeine, präskriptive Regel kann hauptsächlich durch eine andere vereinfachende Sicht der Sache erklärt werden.} \\ \ \ textit {Lesen Sie nicht weiter, wenn Sie nicht interessiert sind.}} $

Die Berücksichtigung der Enthalpie ist jedoch wissenschaftlich nicht korrekt. Zumindest ist das nicht das, was im wirklichen Leben passiert. Die Bedeutung der Enthalpie hängt mit der -Konstante Temperatur und Druck zusammen. Dies ist in der realen Chemie nicht der Fall.

Zunächst ist es am besten, wenn wir den hydrophoben Effekt (bezogen auf die Entropie), die Größe der gelösten Spezies, die Auflösungsrate, der gemeinsame Ioneneffekt, die Ionenstärke.

Der hydrophobe Effekt:

Genau wie ein System die geringste potentielle Energie bevorzugt, begünstigt es eine Störung. Der hydrophobe Effekt kann besser erklären, warum sich einige unpolare Moleküle nicht in Wasser lösen können:

Der hydrophobe Effekt ist die beobachtete Tendenz unpolarer Substanzen, sich in wässriger Substanz zu aggregieren Dies geschieht, weil Wechselwirkungen zwischen den hydrophoben Molekülen es Wassermolekülen ermöglichen, sich freier zu binden, was die Entropie des Systems erhöht. Das Wort hydrophob bedeutet wörtlich “ wasserangst, “ und beschreibt die Trennung und offensichtliche Abstoßung zwischen Wasser und unpolaren Substanzen. – Der hydrophobe Effekt, Wikipedia

Einfach ausgedrückt, der Grund dafür ist nicht gut verstanden. Eine vereinfachte Erklärung ist, dass die Struktur von Wasser drei Freiheitsgrade ermöglicht und vier Wasserstoffbrückenbindungen bilden kann. Wenn dies der Fall ist, kann es sich nicht so leicht orientieren, wie es könnte, und daher würde die Entropie abnehmen. Um die Entropie zu begünstigen, muss dies minimal erfolgen.

Wenn Sie Mischentropie , der verlinkte Wikipedia-Artikel ist sehr schön.

Die Größe der Arten:

$ \ ce {AgCl} $ ist in Wasser weniger löslich als $ \ ce {AgNO3} $ . Dies könnte am besten mit der Tatsache beschrieben werden, dass Silber- und Chlorionen fast gleich groß sind und daher enger zusammengepackt werden können, dh sie sind „schwerer zu zerbrechen und“ aufzulösen „.

Beachten Sie, dass “ wie “ oder ähnliche Regeln dies nicht erklären können. Tatsächlich kann die beeindruckende Delokalisierung des Elektrons im Nitration kann den massiven Bereich von löslichen Nitraten erklären.

Auflösungsrate:

Würdest du sti Nennen wir eine Spezies löslich, wenn sie sich in einer ausreichend großen Zeitspanne im Lösungsmittel löst?Ich würde es mir nicht vorstellen, da den radioaktiven Spezies mit ausreichend langen Halbwertszeiten üblicherweise die „stabile“ Medaille zugeschrieben wird.

Die Auflösungsrate ist keine thermodynamische Eigenschaft, sondern eine kinetische. P. >

Das Auflösen ist nicht immer ein sofortiger Vorgang. Es ist schnell, wenn sich Salz und Zucker in Wasser auflösen, aber viel langsamer für eine Aspirin-Tablette oder einen großen Kristall aus hydratisiertem Kupfer ( II) Sulfat. Diese Beobachtungen sind die Folge von zwei Faktoren: Die Löslichkeitsrate (in kg / s) hängt mit dem Löslichkeitsprodukt (abhängig von der Temperatur) und der Oberfläche des Materials zusammen. Die Geschwindigkeit, mit der sich ein Feststoff auflöst, kann hängen von seiner Kristallinität oder ihrem Fehlen bei amorphen Feststoffen und der Oberfläche (Kristallitgröße) und dem Vorhandensein von Polymorphismus ab. – Auflösungsrate, Wikipedia

Additive (Dispergiermittel):

Es besteht keine Verpflichtung, dass wir nur die berücksichtigen Existenz des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels. Was würden Sie tun, wenn Sie eine (hydrophobe) Fettsäure in Wasser lösen müssten?

Hilfe von Mizellen ist ein Weg . Dies ist ungefähr die gleiche Art und Weise, wie Fette im Blut transportiert werden, und der gleiche Mechanismus, mit dem Seifen Öl von Ihrer Haut reinigen.

Die Solubilisierung unterscheidet sich von Auflösung, weil die resultierende Flüssigkeit eine kolloidale Dispersion ist, an der ein Assoziationskolloid beteiligt ist. Diese Suspension unterscheidet sich von einer echten Lösung, und die Menge des Solubilisats im Mizellensystem kann unterschiedlich (oft höher) sein als die reguläre Löslichkeit des Solubilisats im Lösungsmittel. – Mizellen-Solubilisierung, Wikipedia

$ \ hspace {3ex} $
$ \ hspace {7ex} $ _{Mizellare Solubilisierung von Fettsubstanzen in Wasser unter Verwendung eines Dispergiermittels – Andreas Dries; Quelle}

Additive (Der gemeinsame Ioneneffekt):

Der Common-Ion-Effekt verwendet das Le Chatelier-Prinzip , um die geringere Löslichkeit eines bestimmten Niederschlags aufgrund des Vorhandenseins von zu erklären ein ähnliches Ion in der Lösung. Beispielsweise ist eine verdünnte Lösung von Magnesiumsulfat weniger löslich, wenn etwas Kupfer (II) sulfat gelöst ist.

Ionenstärke:

Um die Konzepte im Zusammenhang mit dem gemeinsamen Ioneneffekt zu erweitern, wird Ionenstärke definiert:

Die Ionenstärke einer Lösung ist ein Maß für die Konzentration von Ionen in dieser Lösung. Wenn ionische Verbindungen in Wasser gelöst sind, dissoziieren sie in Ionen. Die Gesamtelektrolytkonzentration in Lösung beeinflusst wichtige Eigenschaften wie die Dissoziation oder die Löslichkeit verschiedener Salze Die Hauptmerkmale einer Lösung mit gelösten Ionen sind die Ionenstärke.

Die Ionenstärke $ I $ einer Lösung ist eine Funktion der Konzentration aller in dieser Lösung vorhandenen -Ionen. $$ I = \ frac {1} {2} \ sum \ limit ^ n_ {i = 1 } c_iz_i ^ 2 $$

wobei $ c_i $ die molare Konzentration des Ions $ i $ (M, mol / L), $ z_i $ ist die Ladungsnummer dieses Ions, und die Summe wird über alle Ionen in übernommen die Lösung. – Ionenstärke, Wikipedia (Hervorhebung von mir)

Kommentare

• Ich dachte, ich sollte die Aktivitätskoeffizienten erweitern und wie sie zu Abweichungen vom idealen Verhalten idealer Lösungen führen, insb. aus dem Gesetz von Raoult ‚, aber ich denke, dass ‚ vorerst ausreicht. : P Trotzdem habe ich ‚ den Druck ‚ nicht ausgeweitet, da dies Erklärungen zu Partialdrücken erfordern würde.