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溶劑化

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A sodium ion solvated by water molecules. It has to be assumed that delta on hydrogen is 1/2 of delta on oxygen for this diagram to be correct

溶劑化,有時也稱為溶解,為一吸引帶有分子離子溶劑的溶液聚集的過程。當離子在溶劑中溶解,且會被溶劑分子所包圍。

溶劑化、溶解和溶解性的不同[编辑]

國際純粹與應用化學聯合會 (IUPAC)定義,溶劑化是指溶質和溶劑之間的交互作用,使溶質在溶液中穩定。[1]根據在依溶劑中離子被溶劑分子環繞,或是形成複合體,可以用來表示溶劑的狀態。(參考solvation shell)溶劑化的觀念,也可應用於不溶的物質,例如,離子交換樹脂表面的官能基溶劑化。

在觀念上,溶劑化和溶解以及溶解性是不同的。溶解為化學動力學的過程,藉由其速率量化。當溶解率和沉澱率相等時,溶解性達到動態平衡的狀態。

藉由單位可以更了解三者之間的差異性。配位作用可透過配位數複雜的平衡常數來描述。溶解的單位為mol/s,而溶解性的單位為mol/kg。

溶劑化的不同,也在於液化伴隨著不可逆的化學改變。例如:鋅不可被鹽酸溶劑化,但它可藉由化學反應,形成可溶的氯化鋅鹽。

溶劑化與分子間的交互作用[编辑]

極性溶劑為包含鍵偶極矩的分子結構。此種化合物通常具有很高的介電常數(又稱:相對電容率)。溶劑的這些極性分子可以溶劑化離子,因為他們可以使帶有部分電荷的分子朝向離子以回應靜電吸引。這種現象穩定了系統也創造出一溶劑殼結構 (或是水溶液中形成水合結構)。水是最常見且最穩定的極性溶劑。但也有其他的溶劑,例如:乙醇、甲醇、丙酮、乙腈、二甲基亞碸、碳酸亞丙酯。這些溶劑可用來溶解非有機化合物,像是鹽類。

溶劑化牽涉到許多不同形式的分子間交互作用:氫鍵、離子偶極矩和分子間作用力凡得瓦力。氫鍵、離子偶極矩,只會發生於極性溶劑。離子和離子間的作用力,只會發生於離子溶劑。偏向熱力學的溶劑化反應,只會發生於溶液的吉布斯能降低時,比較溶劑和固體(或是氣體或液體)分離的Gibbs energy。這代表焓的改變量減熵的改變量(乘以絕對溫度)為負值,或是指系統的 Gibbs free energy 降低。

溶液的導電率和離子的溶劑化有關。水合反應也影響生物分子電子和震動的性質。[2][3]

熱力學方面的考量[编辑]

對於溶劑化的發生,需要能量解開現存晶格中的個別離子及分子。對於打斷離子之間的吸引力這是非常重要的,等同於固體晶格的自由能(為離子互相鑑結,而形成晶格的能量釋放)。這個能量來自晶格的離子和溶劑中分子有關聯時所釋放的能量。這種形式的能量釋放稱為溶劑化的自由能。

溶液中的溶解熱為,溶液中的熱焓減掉分離系統的熱焓,而則是對應到不同的熵。大部分的氣體有負的解熱。而負的溶解熱代表溶質在高溫時不易溶解。

雖然早期的想法為,離子半徑越高比例的陽離子帶電,或是電荷密度,會造成較多的溶劑化反應產生。這種想法,對於像是三價的鐵或是鑭系元素錒系元素,為較易快速行水合反應而形成不溶的水合氧化物的元素,是不符合的。作為固體,明顯的無法進行溶劑化反應。

溶解熱可以幫助解釋為甚麼有些離子晶格可以進行溶劑化反應,而有些不行。不同的能量對於一晶格離子之間的釋放與溶劑分子之間的結合,稱為溶解熱。溶液的熱焓如果為負,表示可能可溶解;而如果為正,則表示溶劑化不會發生。如果要使為正數的熱焓,發生溶劑化反應的話,就必須加入額外的能量,在離子分離時提高熵值。額外加入的熵,會使單獨計算物質是否溶解變得困難。溶劑的定量測量是藉由donor number所測。

一般來說,熱力學的溶液分析,是藉由反應作為標準來分析的。例如:如果加氯化鈉到水中,則此鹽類,會解離成鈉離子和氯離子。此解離的平衡方程式可以藉由改變反應的Gibb's free energy來預測。

Max Born已經寫出第一個離子化合物的溶劑化定量標準。

參見[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ (英文)國際純粹與應用化學聯合會."solvation".化学术语总目录 在线版本.
  2. ^ Alireza Mashaghi et al., Hydration strongly affects the molecular and electronic structure of membrane phospholipids. J. Chem. Phys. 136, 114709 (2012) 存档副本. [2012-05-17]. (原始内容存档于2016-05-15). 
  3. ^ Mischa Bonn et al., Interfacial Water Facilitates Energy Transfer by Inducing Extended Vibrations in Membrane Lipids, J Phys Chem, 2012 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp302478a

外部連結[编辑]

IUPAC