Ključna razlika – Solvatacijska energija v primerjavi z Mrežno energijo
Solvacijska energija je sprememba Gibbsove energije topila, ko se topljenec raztopi v tem topilu. Energija mreže je količina energije, ki se sprosti med tvorbo mreže iz ionov, ali količina energije, ki je potrebna za razgradnjo mreže. Ključna razlika med solvatacijsko energijo in mrežno energijo je v tem, da solvatacijska energija povzroči spremembo entalpije pri raztapljanju topljenca v topilu, medtem ko mrežasta energija povzroči spremembo entalpije pri nastanku (ali razpadu) mreže.
Kaj je solvatacijska energija?
Solvacijska energija je sprememba Gibbsove energije, ko se ion ali molekula prenese iz vakuuma (ali plinske faze) v topilo. Solvatacija je interakcija med topilom in molekulami ali ioni topljenca. Topljena snov je spojina, ki se bo raztopila v topilu. Nekatere topljene snovi so sestavljene iz molekul, nekatere pa vsebujejo ione.
Interakcija med delci topila in topljenca določa številne lastnosti topljenca. Na primer: topnost, reaktivnost, barva itd. Med postopkom solvatacije so delci topljenca obdani z molekulami topila, ki tvorijo solvatne komplekse. Kadar je topilo, ki sodeluje pri tej solvataciji, voda, se postopek imenuje hidracija.
Med procesom solvatacije nastanejo različne vrste kemičnih vezi in interakcij; vodikove vezi, ion-dipolne interakcije in Van der Waalove sile. Komplementarne lastnosti topila in topljenca določajo topnost topljenca v topilu. Na primer, polarnost je glavni dejavnik, ki določa topnost topljenca v topilu. Polarne raztopine se dobro topijo v polarnih topilih. Nepolarne raztopine se dobro topijo v nepolarnih topilih. Toda topnost polarnih topljencev v nepolarnih topilih (in obratno) je slaba.
Slika 01: Solvatacija natrijevega kationa v vodi
Ko gre za termodinamiko, je solvatacija možna (spontana) le, če je Gibbsova energija končne raztopine nižja od posameznih Gibbsovih energij topila in topljenca. Zato mora biti Gibbsova prosta energija negativna vrednost (Gibbsova prosta energija sistema se mora zmanjšati po nastanku raztopine). Rešitev vključuje različne korake z različnimi energijami.
- Tvorba votline topila, da se naredi prostor za topljence. To je termodinamično neugodno, ker ko se zmanjšajo interakcije med molekulo topila, se zmanjša tudi entropija.
- Ločevanje delca topljenca od mase je tudi termodinamsko neugodno. To je zato, ker so interakcije med topljencem zmanjšane.
- Interakcije med topilo in topljencem potekajo, ko topljenec vstopi v votlino topila, kar je termodinamično ugodno.
Solvacijska energija je znana tudi kot solvatacijska entalpija. Koristno je razložiti raztapljanje nekaterih mrež v topilih, medtem ko se nekatere mreže ne. Sprememba entalpije raztopine je razlika med energijama sproščanja topljenca iz mase in združevanja topljenca s topilom. Če ima ion negativno vrednost za spremembo entalpije raztopine, to pomeni, da je bolj verjetno, da se bo ion raztopil v tem topilu. Visoka pozitivna vrednost pomeni, da je manj verjetno, da se bo ion raztopil.
Kaj je mrežasta energija?
Energija rešetke je merilo energije, ki jo vsebuje kristalna mreža spojine in je enaka energiji, ki bi se sprostila, če bi sestavni ioni združili iz neskončnosti. Energijo rešetke spojine lahko definiramo tudi kot količino energije, ki je potrebna za razgradnjo ionske trdne snovi na njene atome v plinasti fazi.
Ionske trdne snovi so zelo stabilne spojine zaradi entalpij tvorbe ionskih molekul skupaj s stabilnostjo zaradi energije mreže trdne strukture. Toda energije mreže ni mogoče eksperimentalno izmeriti. Zato se za določanje energije mreže ionskih trdnih snovi uporablja Born-Haberjev cikel. Preden narišete Born-Haberjev cikel, je treba razumeti več izrazov.
- Ionizacijska energija – Količina energije, ki je potrebna za odstranitev elektrona iz nevtralnega atoma v plinastem
- Elektronska afiniteta – količina energije, ki se sprosti, ko se elektron doda nevtralnemu atomu v plinastem
- Energija disociacije – količina energije, ki je potrebna za razpad spojine na atome ali ione.
- Energija sublimacije – Količina energije, ki je potrebna za pretvorbo trdne snovi v njene hlape
- Toplota nastajanja – sprememba energije, ko spojina nastane iz njenih elementov.
- Hessov zakon – zakon, ki pravi, da je mogoče celotno spremembo energije določenega procesa določiti z razdelitvijo procesa na različne korake.
Slika 02: Born-Haberjev cikel za tvorbo litijevega fluorida (LiF)
Born-Haberjev cikel je mogoče podati z naslednjo enačbo.
Toplota tvorbe=atomizacijska toplota + disociacijska energija + vsota ionizacijskih energij + vsota afinitet do elektronov + mrežasta energija
Potem lahko dobimo energijo mreže spojine s preureditvijo te enačbe, kot sledi.
Energija rešetke=tvorbena toplota – {toplota atomizacije + disociacijska energija + vsota ionizacijskih energij + vsota afinitet do elektronov}
Kakšna je razlika med solvatacijsko energijo in mrežo?
Energija topljenja v primerjavi z energijo mreže |
|
| Solvacijska energija je sprememba Gibbsove energije, ko se ion ali molekula prenese iz vakuuma (ali plinske faze) v topilo. | Energija rešetke je merilo energije, ki jo vsebuje kristalna mreža spojine in je enaka energiji, ki bi se sprostila, če bi sestavni ioni združili iz neskončnosti. |
| Načelo | |
| Energija topljenja povzroči spremembo entalpije pri raztapljanju topljenca v topilu. | Energija mreže povzroči spremembo entalpije pri nastanku (ali razpadu) mreže. |
Povzetek – Solvatacijska energija proti energiji mreže
Solvacijska energija je sprememba entalpije sistema med solvacijo topljenca v topilu. Energija mreže je količina energije, ki se sprosti med nastajanjem mreže, ali količina energije, ki je potrebna za razgradnjo mreže. Razlika med solvatacijsko energijo in mrežno energijo je v tem, da solvatacijska energija povzroči spremembo entalpije pri raztapljanju topljenca v topilu, medtem ko mrežasta energija povzroči spremembo entalpije pri nastanku (ali razpadu) mreže.
