Avainero – ratkaisuenergia vs hilaenergia
Solutaatioenergia on muutos liuottimen Gibbsin energiassa, kun liuennut aine liukenee kyseiseen liuottimeen. Hilan energia on joko energiamäärä, joka vapautuu hilan muodostuessa ioneista, tai energiamäärä, joka tarvitaan hilan hajoamiseen. avainero solvataatioenergian ja hilaenergian välillä on se, että solvataatioenergia antaa entalpian muutoksen liuotettaessa liukenevaa ainetta liuottimeen, kun taas hilaenergia antaa entalpian muutoksen hilan muodostuessa (tai hajoamisessa).
Mitä on Solvaatioenergia?
Solvataatioenergia on muutos Gibbsin energiassa, kun ioni tai molekyyli siirretään tyhjöstä (tai kaasufaasista) liuottimeen. Solvaatio on liuottimen ja liuenneen aineen molekyylien tai ionien vuorovaikutusta. Liuennut aine on yhdiste, joka liukenee liuottimeen. Jotkut liuenneet aineet koostuvat molekyyleistä, kun taas jotkut sisältävät ioneja.
Liuottimen ja liuenneen aineen hiukkasten välinen vuorovaikutus määrää monia liuenneen aineen ominaisuuksia. Esim: liukoisuus, reaktiivisuus, väri jne. Solvataatioprosessin aikana liuenneet hiukkaset ympäröivät liuotinmolekyylejä, jotka muodostavat solvataatiokomplekseja. Kun tähän solvataatioon osallistuva liuotin on vesi, prosessia kutsutaan hydraatioksi.
Solvataatioprosessin aikana muodostuu erilaisia kemiallisia sidoksia ja vuorovaikutuksia; vetysidokset, ioni-dipoli-vuorovaikutukset ja Van der Waal -voimat. Liuottimen ja liuenneen aineen toisiaan täydentävät ominaisuudet määräävät liuenneen aineen liukoisuuden liuottimeen. Esimerkiksi polaarisuus on tärkeä tekijä, joka määrittää liuenneen aineen liukoisuuden liuottimeen. Polaariset liuenneet aineet liukenevat hyvin polaarisiin liuottimiin. Polaarittomat liuenneet aineet liukenevat hyvin ei-polaarisiin liuottimiin. Mutta polaaristen liuenneiden aineiden liukoisuus ei-polaarisiin liuottimiin (ja päinvastoin) on huono.
Kuva 01: Natriumkationin liuotus vedessä
Termodynamiikassa solvataatio on mahdollista (spontaani) vain, jos lopullisen liuoksen Gibbs-energia on pienempi kuin liuottimen ja liuenneen aineen yksittäiset Gibbs-energiat. Siksi Gibbsin vapaan energian tulisi olla negatiivinen arvo (systeemin Gibbsin vapaata energiaa tulisi vähentää liuoksen muodostuksen jälkeen). Ratkaisu sisältää erilaisia vaiheita eri energioilla.
- Liuotinontelon muodostuminen tilan tekemiseksi liuenneille aineille. Tämä on termodynaamisesti epäedullista, koska kun liuotinmolekyylien väliset vuorovaikutukset vähenevät ja entropia pienenee.
- Liuenneen aineen hiukkasen erottaminen bulkista on myös termodynaamisesti epäedullista. Tämä johtuu siitä, että liuenneen aineen ja liuenneen aineen vuorovaikutukset vähenevät.
- Liuottimen ja liuenneen aineen vuorovaikutus tapahtuu, kun liuennut aine pääsee liuotinonteloon, on termodynaamisesti suotuisa.
Solvataatioenergia tunnetaan myös solvaation entalpiana. On hyödyllistä selittää joidenkin hilan liukeneminen liuottimiin, kun taas jotkut hilat eivät. Liuoksen entalpian muutos on ero energian välillä, joka syntyy liuenneen aineen vapauttamisessa massasta ja liuenneen aineen yhdistämisestä liuottimeen. Jos ionilla on negatiivinen arvo liuoksen entalpian muutokselle, se osoittaa, että ioni liukenee todennäköisemmin kyseiseen liuottimeen. Suuri positiivinen arvo osoittaa, että ioni ei todennäköisesti liukene.
Mitä on hilaenergia?
Hilan energia on yhdisteen kidehilan sisältämän energian mitta, joka on yhtä suuri kuin energia, joka vapautuisi, jos komponenttien ionit koottaisiin yhteen äärettömyydestä. Yhdisteen hilaenergia voidaan määritellä myös energiamääräksi, joka tarvitaan hajottamaan ioninen kiinteä aine atomeiksi kaasufaasissa.
Ioniset kiinteät aineet ovat erittäin pysyviä yhdisteitä, jotka johtuvat ionisten molekyylien muodostumisentalpioista sekä kiinteän rakenteen hilaenergiasta johtuvasta stabiilisuudesta. Mutta hilan energiaa ei voida mitata kokeellisesti. Siksi ionisten kiinteiden aineiden hilaenergian määrittämiseen käytetään Born-Haber-sykliä. On olemassa useita termejä, jotka on ymmärrettävä ennen Born-Haber-syklin piirtämistä.
- Ionisaatioenergia – Energiamäärä, joka tarvitaan elektronin poistamiseen neutraalista atomista kaasumaisessa tilassa
- Elektroniaffiniteetti – Energiamäärä, joka vapautuu, kun elektroni lisätään neutraaliin atomiin kaasumaisessa tilassa
- Dissosiaatioenergia – Energiamäärä, joka tarvitaan hajottamaan yhdiste atomeiksi tai ioneiksi.
- Sublimaatioenergia – Energiamäärä, joka tarvitaan kiinteän aineen muuntamiseen höyrykseen
- Muotoilun lämpö – Energian muutos, kun yhdiste muodostuu alkuaineistaan.
- Hessin laki – Laki, joka sanoo, että tietyn prosessin energian kokonaismuutos voidaan määrittää jakamalla prosessi eri vaiheisiin.
Kuva 02: Born-Haber-sykli litiumfluoridin (LiF) muodostumiselle
Born-Haber-sykli voidaan antaa seuraavalla yhtälöllä.
Muodostumislämpö=sumutuslämpö + dissosiaatioenergia + ionisaatioenergian summa + elektronien affiniteettien summa + hilaenergia
Sitten yhdisteen hilaenergia voidaan saada järjestämällä tämä yhtälö uudelleen seuraavasti.
Hilaenergia=muodostumislämpö – {atomisaatiolämpö + dissosiaatioenergia + ionisaatioenergioiden summa + elektronien affiniteettien summa}
Mitä eroa on Solvaatioenergialla ja Hilaenergialla?
Ratkaisuenergia vs hilaenergia |
|
| Solvataatioenergia on muutos Gibbsin energiassa, kun ioni tai molekyyli siirtyy tyhjöstä (tai kaasufaasista) liuottimeen. | Hilan energia on yhdisteen kidehilaan sisältyvän energian mitta, joka on yhtä suuri kuin energia, joka vapautuisi, jos komponenttien ionit koottaisiin yhteen äärettömyydestä. |
| Periaate | |
| Soluttumisenergia antaa entalpian muutoksen liuotettaessa liuennutta ainetta liuottimeen. | Hilaenergia antaa entalpian muutoksen hilan muodostumisen (tai hajoamisen) yhteydessä. |
Yhteenveto – Solvation Energy vs Lattice Energy
Solvataatioenergia on järjestelmän entalpian muutos liuenneen aineen solvatoituessa liuottimessa. Hilan energia on hilan muodostumisen aikana vapautuva energiamäärä tai hilan hajoamiseen tarvittava energiamäärä. Solvataatioenergian ja hilan energian välinen ero on se, että solvataatioenergia antaa entalpian muutoksen liukenevan aineen liuotessa liuottimeen, kun taas hilaenergia antaa entalpian muutoksen hilan muodostumisen (tai hajoamisen) aikana.
