SOLVATACIÓN: PROCÉS, DIFERÈNCIES AMB HIDRATACIÓ I EXEMPLES - QUIMICA - 2026

La solvatació és la unió física i química entre partícules de solut i de solvent en una dissolució. Es diferencia de el concepte de solubilitat en el fet que no hi ha un equilibri termodinàmic entre un sòlid i les seves partícules dissoltes.

Aquesta unió és la responsable que els sòlids dissolts "desapareguin" a la vista dels espectadors; quan en realitat, les partícules es tornen molt petites i acaben "acompanyades" per llençols de molècules d'solvent, la qual cosa fa impossible observar-les.

Font: Gabriel Bolívar

A la imatge superior es representa un esbós molt general de la solvatació d'una partícula M. M pot ser aviat un ió (M ⁺) o una molècula; i S és la molècula de solvent, la qual pot tractar-se de qualsevol compost en estat líquid (encara que també pot ser gasós).

Cal notar que M es troba envoltat de sis molècules de S, les quals conformen el que es coneix com a esfera de solvatació primària. Altres molècules de S a major distància interactuen per forces de Van der Waals amb les primeres, formant una esfera de solvatació secundària, i així successivament fins que no sigui evident algun ordenament.

Procés de solvatació

Font: Gabriel Bolívar

Molecularment, com és el procés de solvatació? La imatge superior resumeix els passos necessaris.

Les molècules de solvent, de color blau, inicialment es troben ordenades interaccionant totes unes amb les altres (SS); i les partícules (ions o molècules) de solut, de color morat, fan el mateix amb interaccions MM forts o febles.

Perquè ocorri la solvatació, tant solvent com solut han expandir-(segona fletxa negra) per permetre així les interaccions solut-solvent (MS).

Això implica obligatòriament una disminució de les interaccions solut-solut i solvent-solvent; disminució que requereix energia, i per tant, aquest primer pas és endotèrmic.

Un cop s'hagin expandit molecularment el solut i el solvent, tots dos es barregen i intercanvien llocs en l'espai. Cada cercle morat de la segona imatge es pot comparar amb el de la primera imatge.

Pot detallar-se en la imatge un canvi en el grau d'ordenament de les partícules; ordenades a del principi, i desordenades a al final. Com a conseqüència, l'últim pas és exotèrmic, ja que la formació de les noves interaccions MS estabilitzen a totes les partícules de la dissolució.

aspectes energètics

Darrere de l'procés de solvatació, hi ha molts aspectes energètics que s'han de prendre en compte. Primerament: les interaccions SS, MM i MS.

Quan les interaccions MS, és a dir, entre el solut i el solvent, són molt superiors (forts i estables) comparades a les dels components individuals, es parla d'un procés de solvatació exotèrmic; i per tant, s'allibera energia a l'mig, la qual cosa es pot comprovar mesurant amb un termòmetre l'augment de la temperatura.

Si, per contra, les interaccions MM i SS són més forts que les MS, llavors per a "expandir" necessitaran més energia que la que guanyen un cop culmini la solvatació.

Es parla llavors d'un procés de solvatació endotèrmic. Sent aquest cas, es registra un descens de la temperatura, o el que és igual, es refreda els voltants.

Hi ha dos factors fonamentals que dictaminen si un solut es dissol o no en un solvent. El primer és el canvi d'entalpia de dissolució (ΔH _dis), com acaba d'explicar-, i el segon és el canvi d'entropia (ΔS) entre el solut i el solut dissolt. Generalment, ΔS s'associa a l'increment de desordre també esmentat a dalt.

interaccions intermoleculars

Es va esmentar que la solvatació és el resultat de la unió física i química entre el solut i el solvent; però, com exactament són aquestes interaccions o unions?

Si el solut és un ió, M ⁺, es produeixen les anomenades interaccions ió-dipol (M ⁺ -S); i si és una molècula, llavors hi haurà interaccions dipol-dipol o forces de dispersió de London.

Quan es parla d'interaccions dipol-dipol, es diu que hi ha un moment dipolar permanent a M i S. Així, la regió rica en electrons δ- de M interactua amb la regió pobra d'electrons δ + de S. El resultat de totes aquestes interaccions és la formació de diverses esferes de solvatació entorn a M.

Addicionalment, hi ha un altre tipus d'interaccions: el coordinatiu. Aquí, les molècules de S formen enllaços de coordinació (o datius) amb M, formant diverses geometries.

Una regla fonamental per memoritzar i predir l'afinitat entre el solut i el solvent és: igual dissol a igual. Per tant, les substàncies polars dissolen amb gran facilitat en solvents igual d'polars; i les substàncies apolars, es dissolen en solvents apolars.

Diferències amb hidratació

Font: Gabriel Bolívar

En què es diferencia la solvatació de la hidratació? Els dos processos idèntics, excepte perquè les molècules S, de la primera imatge, es substitueixen per les de l'aigua, HOH.

A la imatge superior es pot apreciar a un catió M ⁺ envoltat de sis molècules d'H ₂ O. Cal notar que els àtoms d'oxigen (de color vermell) s'adrecen orientats a la càrrega positiva, pel fet que és el més electronegatiu i per tant presenta la major densitat negativa δ-.

Darrere de la primera esfera d'hidratació, altres molècules d'aigua s'agrupen al voltant mitjançant ponts d'hidrogen (OH ₂ -OH ₂). Aquestes són interaccions de l'tipus ió-dipol. No obstant això, les molècules d'aigua també poden formar enllaços de coordinació amb el centre positiu, especialment si és metàl·lic.

Així, s'originen els famós acuocomplejos, M (OH ₂) _n. Com n = 6 a la imatge, les sis molècules s'orienten al voltant de M en un octaedre de coordinació (l'esfera interna d'hidratació). Depenent de la mida de M ⁺, la magnitud de la seva càrrega, i la seva disponibilitat electrònica, aquesta esfera pot ser més petita o gran.

L'aigua és potser el solvent més sorprenent de tots: dissol una quantitat incommensurables de soluts, és un solvent massa polar i té una constant dielèctrica anormalment alta (78.5 K).

exemples

A continuació s'esmenten tres exemples de solvatació en aigua.

Clorur de calci

A l'dissoldre el clorur de calci en aigua, s'allibera calor a l'solvatarse els cations Ca ²⁺ i els anions Cl ^-. El Ca ²⁺ s'envolta d'un nombre de molècules d'aigua igual o major a sis (Ca ²⁺ -OH ₂).

Així mateix, el Cl ^- es veu envoltat d'àtoms d'hidrogen, la regió δ + de l'aigua (Cl ^- -H ₂ O). La calor alliberada pot destinar-se a la fosa de masses de gel.

urea

Per al cas de la urea, es tracta d'una molècula orgànica amb estructura H ₂ N-CO-NH ₂. A l'solvatarse, les molècules d'H ₂ O forma ponts d'hidrogen amb els dos grups amino (-NH ₂ -OH ₂) i amb el grup carbonil (C = O- H ₂ O). Aquestes interaccions són responsables de la seva gran solubilitat en aigua.

Així mateix la seva dissolució és endotèrmica, és a dir, refreda el recipient d'aigua on s'addiciona.

Nitrat d'amoni

El nitrat d'amoni, a l'igual que la urea, és un solut que refreda la dissolució després de la solvatació dels seus ions. L'NH ₄ ⁺ es solvata d'una manera similar a Ca ²⁺, encara que probablement per ser de geometria tetraèdrica posseeixi menys molècules d'H ₂ O al seu voltant; i el NO ₃ ^- es solvata de la mateixa manera que els anions Cl ^- (OH ₂ -O ₂ NO-H ₂ O).

referències

1. Glasstone S. (1970). Tractat de Química i Física. Aguilar, SA, Madrid, Espanya.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). Cengage Learning.
3. Ira N. Levine. (2014). Principis de Fisicoquímica. Sisena edició. Mc Graw Hill.
4. Chemicool Dictionary. (2017). Definition of Solvation. Recuperat de: chemicool.com
5. Belford R. (sf). Solvation Processes. Chemistry LibreTexts. Recuperat de: chem.libretexts.org
6. Wikipedia. (2018). Solvation. Recuperat de: en.wikipedia.org
7. Hardinger A. Steven. (2017). Illustrated Glossary of Organic Chemistry: Solvation. Recuperat de: chem.ucla.edu
8. Surf Guppy. (Sf). The Process of Solvation. Recuperat de: surfguppy.com