Varför don ' t polära och icke-polära föreningar löser upp varandra?

Mycket enkelt förklarar du orsaken till denna löslighetsregel genom att ta hänsyn till energikraven för att bryta intermolekylära krafter mellan molekylerna i lösningen och lösningsmedlet.

Obs: detta är bara en förenklad förklaring eftersom det också beror på andra faktorer såsom som förändring i entropi

Här är lite bakgrundsinformation om intermolekylära krafter. I icke-polära ämnen finns det dispersionskrafter mellan varje molekyl. Dessa dispersionskrafter är relativt svaga och kräver därför endast lite energi för att bryta dem. I polära ämnen finns det dipoldipol och vätebindning (beroende på ämnet) mellan varje molekyl. Dessa krafter är mycket starkare än dispersionskrafter och kräver mer energi för att bryta.

Låt oss nu överväga följande fall:

Icke-polär lösningsmedel och lösningsmedel

För att lösningsmedlet ska kunna lösas upp måste dispersionskrafterna mellan molekylerna i lösningen och lösningsmedlet bryta. Detta kräver bara mycket lite energi. Men när det lösta ämnet löses upp i lösningsmedlet kan de skapa dispersionskrafter med varandra. Tillverkningen av dessa krafter frigör mycket lite energi. Så enkelt uttryckt, det krävs mycket lite energi för att bryta krafterna och mycket lite energi som frigörs när man gör krafterna. Därför balanserar allt överallt och processen sker.

Icke-polär lösningsmedel och polärt lösningsmedel (och vice versa)

För att lösningsmedlet ska lösas upp i lösningsmedlet bryts både dispersionskrafter och dipoldipolkrafter som kräver stor mängd energi. Molekylerna i lösningsmedlet och lösningsmedlet kan emellertid bara skapa dispersionskrafter med varandra (eftersom de inte är båda polära). Detta frigör bara mycket lite energi. Därför krävs totalt sett mer energi än frisatt och därmed vann processen ” t hända.

Polar Solute and Solvent

För att lösningen löses upp i lösningsmedlet bryts dipoldipolkrafter som kräver stor mängd energi. Men när de löses upp, kan molekylerna i lösningsmedlet och lösningsmedlet bilda dipoldipolkrafter som frigör stor mängd energi. Därför balanserar allting allt och processen sker.

TL; DR

It ” s eftersom entalpiförändringar av en lösning i allmänhet inte gynnar upplösning.

En längre version:

För att förklara detta ges vanligtvis förklaringen om entalpiförändring. För förståelsens skull, låt oss se vad som händer när två föreningar löses upp. Ta etanol som löser sig i vatten som ett exempel. Här är kärnan i vad som händer:

1. De intermolekylära krafterna (dvs. vätebindningar i detta fall) i vatten går sönder. $ \ rm \ color {green} {(endotermisk)} $
2. De intermolekylära krafterna i etanol går sönder. $ \ rm \ color {green} {(endotermisk)} $
3. En ny kraft och attraktion bildas mellan etanol- och vattenmolekylerna. $ \ rm \ color {red} {(exothermic)} $
   $ \ hspace {12ex} $
   $ \ hspace {22ex} $ _{Etanol och vatten som bildar vätebindningar; Källa}

Detta händer för alla två arter som löses upp i varandra. För joniska lösta ämnen är ”bindningsklyvning” faktiskt gitteret som går sönder. Så du kan förvänta dig en endoterm process med en energivinst som är lika med entalpi av bildandet av gitter.

Du måste vara försiktig med två saker:

• Löslighet är inte binär. Vi måste vanligtvis ange det med korta och begripliga (dvs. av en stor publik) ord , och det är därför vi använder det. Är gips så olösligt i vatten som kalciumkarbonat eller så lösligt som propansyra ? (Propansyra är blandbar i vatten i RTP och STP)
• Att ” icke-polär löser sig inte i polar ” är inte korrekt. Icke-polära lösta ämnen är i allmänhet olösliga i polära lösningsmedel. Vi kan lätt tänka på undantag. Bromvatten är ett exempel till att börja med, men verkligen inte det mest anmärkningsvärda exemplet.

Så frågan som kommer att tänka på är,

Om processen för upplösning kommer att vara densamma för polära eller icke-polära molekyler och grovt samma för molekyler med väte bindning och för jonföreningar, varför är vissa lösta ämnen olösliga i vissa lösningsmedel?

Som vi såg finns det två endotermiska processer och en exoterm process involverad. Mycket enkelt uttryckt, ett rudimentärt svar på din fråga är att ” eftersom inducerade dipoler är kända som en av de svagaste intermolekylära interaktionerna och därmed lösningsmedels-lösta interaktioner inte skulle frigöra tillräckligt med energi medan bildas, så $ \ Delta H > 0 $ . Detta skulle innebära att termodynamiskt är det mer fördelaktigt för lösningsmedlet -lösningsväxelverkan ska inte brytas och därmed ingen upplösning ”.

Sammanfattningsvis skulle jag säga ” ja, polariteten hos lösningsmedlet / lösningsmedlet spelar en viktig regel för bestämning av löslighet eller olöslighet. Men det är inte hälften av det. ” En liten genomgång av frågan finns nedan.

$ \ color {grey} {\ textit {Jag vet inte ens varför jag gör det här.} \\\ \ textit {En allmän, föreskrivande regel kan förklaras huvudsakligen med en annan förenklad syn på saken.} \\ \ \ textit {läs inte om du inte är intresserad.}} $

Att ta hänsyn till entalpi är dock inte vetenskapligt korrekt. Det är åtminstone inte vad som händer i verkligheten. Betydelsen av entalpi är associerad med konstant temperatur och tryck. Det är inte vad som händer i verklig kemi.

Till att börja med är det bäst om vi tar hänsyn till den hydrofoba effekten (relaterad till entropi), den lösta artens storlek, upplösningshastigheten, den gemensamma joneffekten, jonstyrka.

Den hydrofoba effekten:

Precis som ett system gynnar minst potentiell energi, gynnar det störningar. Den hydrofoba effekten kan bättre förklara varför vissa icke-polära molekyler inte kan lösas upp i vatten:

Den hydrofoba effekten är den observerade tendensen hos icke-polära ämnen att aggregera i vattenhaltig lösning och utesluta vattenmolekyler. Detta inträffar eftersom interaktioner mellan de hydrofoba molekylerna tillåter vattenmolekyler att bindas mer fritt, vilket ökar entropin i systemet. Ordet hydrofob betyder bokstavligen ” ” och den beskriver segregeringen och uppenbar avstötning mellan vatten och icke-polära ämnen. – Den hydrofoba effekten, Wikipedia

Enkelt uttryckt är orsaken till detta inte väl förstådd. En förenklad förklaring är att vattenstrukturen gör att den har tre frihetsgrader och att den kan bilda fyra vätebindningar. Om den gör det kan den inte orientera sig så enkelt som möjligt och därmed skulle entropin minska. Så för att gynna entropi måste detta ske minimalt.

Om du vill studera blandningens entropi , den länkade Wikipedia-artikeln är mycket trevlig.

Storleken på arten:

$ \ ce {AgCl} $ är mindre lösligt i vatten än $ \ ce {AgNO3} $ . Detta kan bäst beskrivas med det faktum att silver- och klorjoner är nästan lika stora, och därför kan de packas tätare tillsammans, dvs. de är svårare att bryta sönder och ”lösas upp”.

Observera att ” som upplöses som ” eller liknande regler inte kan förklara detta. Egentligen är den imponerande avlokaliseringen av elektronen i nitratjonen kan förklara det enorma intervallet av lösliga nitrater .

Upplösningshastighet:

Skulle du sti Kan jag kalla en art löslig om den löser sig i lösningsmedlet under tillräckligt lång tid?Jag skulle inte kunna föreställa mig det, eftersom de radioaktiva arterna med tillräckligt långa halveringstider ofta tillskrivs den ”stabila” medaljen.

Upplösningshastigheten är inte en termodynamisk egenskap utan en kinetisk.

Upplösning är inte alltid en omedelbar process. Den är snabb när salt och socker löses upp i vatten men mycket långsammare för en tablett aspirin eller en stor kristall av hydratiserad koppar ( II) sulfat. Dessa observationer är en följd av två faktorer: löslighetshastigheten (i kg / s) är relaterad till löslighetsprodukten (beroende på temperatur) och materialets yta. Den hastighet med vilken ett fast ämne löses upp kan beror på dess kristallinitet eller brist på detta vid amorfa fasta ämnen och ytarean (kristallitstorlek) och närvaron av polymorfism. – Upplösningshastighet, Wikipedia

Tillsatser (dispergeringsmedel):

Det finns ingen skyldighet att vi bara betraktar förekomst av lösningsmedel och lösningsmedlet. Vad skulle du göra om du behövde lösa upp en fettsyra (som är hydrofob) i vatten?

Att få hjälp från miceller är ett sätt . Detta är helt på samma sätt som fett transporteras i blodet, och samma mekanism tvålar använder för att rensa olja från huden.

Solubilisering skiljer sig från upplösning eftersom den resulterande vätskan är en kolloidal dispersion som involverar en associeringskolloid. Denna suspension skiljer sig från en verklig lösning, och mängden solubilisat i micellsystemet kan vara annorlunda (ofta högre) än solubilisatets vanliga löslighet i lösningsmedlet. – Micellär solubilisering, Wikipedia

$ \ hspace {3ex} $
$ \ hspace {7ex} $ _{Micellär solubilisering av fet substans i vatten med användning av ett dispergeringsmedel – Andreas Dries; Källa}

Tillsatser (Den vanliga joneffekten):

Den gemensamma joneffekten använder Le Chateliers princip för att förklara den mindre lösligheten för en viss fällning på grund av förekomsten av en liknande jon i lösningen.

Till exempel är en utspädd lösning av magnesiumsulfat mindre löslig om en del koppar (II) sulfat upplöses.

Jonstyrka:

För att utöka koncepten relaterade till den gemensamma joneffekten definieras jonstyrka :

Jonstyrkan för en lösning är ett mått på koncentrationen av joner i den lösningen. Jonföreningar, när de löses i vatten, dissocieras till joner. Den totala elektrolytkoncentrationen i lösningen kommer att påverka viktiga egenskaper som dissociation eller löslighet för olika salter . av huvudegenskaperna för en lösning med upplösta joner är jonstyrkan.

Jonstyrkan, $ I $ , av en lösning är en funktion av koncentrationen av alla joner som finns i den lösningen. $$ I = \ frac {1} {2} \ sum \ limits ^ n_ {i = 1 } c_iz_i ^ 2 $$

där $ c_i $ är den molära koncentrationen av jon $ i $ (M, mol / L), $ z_i $ är laddningsnumret för den jonen och summan tas över alla joner i lösningen. – Jonisk styrka, Wikipedia (Min betoning)

Kommentarer

• Jag tänkte att jag borde utöka aktivitetskoefficienter och hur de leder till avvikelser från ideala beteenden hos ideala lösningar, särskilt från Raoult ’ s lag, men jag tror att ’ är tillräckligt för nu. : P Ändå utvidgade jag inte ’ på tryck ’, eftersom det skulle kräva förklaringar angående partiella tryck.