溶剂化
溶剂化[1][2]又称溶剂合[3]、溶合作用[4]，是指物质在溶剂中溶解时，溶剂分子与溶质分子或离子、原子间的相互结合，使溶质改变原来的状态、最终形成溶液的过程。[5]
溶剂化、溶解和溶解度的不同
[编辑]由国际纯粹与应用化学联合会 （IUPAC）定义[6]，溶剂化是指溶质和溶剂之间的交互作用，使溶质在溶液中稳定[7]。根据溶剂中，离子被溶剂分子环绕，或是形成复合体，可以用来表示溶剂的状态（参考 溶剂壳）[需要解释]。溶剂化的观念，也可应用于不溶的物质，例如，离子交换树脂表面的官能团溶剂化。
在观念上，溶剂化和溶解以及溶解度是不同的。溶解为化学动力学的过程，借由其速率量化。当溶解率和沉淀率相等时，溶解度达到动态平衡的状态。
借由单位可以更了解三者之间的差异性。配位作用可透过配位数复杂的平衡常数来描述。溶解的单位为mol/s，而溶解度的单位为mol/kg。
溶剂化的不同，也在于液化伴随着不可逆的化学改变。例如:锌不可被盐酸溶剂化，但它可借由化学反应，形成可溶的氯化锌盐。
溶剂化与分子间的交互作用
[编辑]极性溶剂为包含键偶极矩的分子结构。此种化合物通常具有很高的介电常数(又称:相对电容率)。溶剂的这些极性分子可以溶剂化离子，因为他们可以使带有部分电荷的分子朝向离子以回应静电吸引。这种现象稳定了系统也创造出一溶剂壳结构（或是水溶液中形成水合结构）。水是最常见且最稳定的极性溶剂。但也有其他的溶剂，例如:乙醇、甲醇、丙酮、乙腈、二甲基亚砜、碳酸亚丙酯。这些溶剂可用来溶解非有机化合物，像是盐类。
溶剂化牵涉到许多不同形式的分子间交互作用：氢键、离子偶极矩和分子间作用力或范德华力。氢键、离子偶极矩，只会发生于极性溶剂。离子和离子间的作用力，只会发生于离子溶剂。偏向热力学的溶剂化反应，只会发生于溶液的吉布斯能降低时，比较溶剂和固体（或是气体或液体）分离的 Gibbs energy。这代表焓的改变量减熵的改变量（乘以绝对温度）为负值，或是指系统的 Gibbs free energy 降低。
溶液的导电率和离子的溶剂化有关。水合反应也影响生物分子电子和震动的性质。[8][9]
热力学方面的考量
[编辑]对于溶剂化的发生，需要能量解开现存晶格中的个别离子及分子。对于打断离子之间的吸引力这是非常重要的，等同于固体晶格的自由能(为离子互相键结，而形成晶格的能量释放)。这个能量来自晶格的离子和溶剂中分子有关联时所释放的能量。这种形式的能量释放称为溶剂化的自由能。
溶液中的溶解热为，溶液中的热焓减掉分离系统的热焓，而熵则是对应到不同的熵。大部分的气体有负的溶解热。而负的溶解热代表溶质在高温时不易溶解。
虽然早期的想法为，离子半径越高比例的阳离子带电，或是电荷密度，会造成较多的溶剂化反应产生。这种想法，对于像是三价的铁或是镧系元素和锕系元素，为较易快速行水合反应而形成不溶的水合氧化物的元素，是不符合的。作为固体，明显的无法进行溶剂化反应。
溶解热可以帮助解释为什么有些离子晶格可以进行溶剂化反应，而有些不行。不同的能量对于一晶格离子之间的释放与溶剂分子之间的结合，称为溶解热。溶液的热焓如果为负，表示可能可溶解；而如果为正，则表示溶剂化不会发生。如果要使为正数的热焓，发生溶剂化反应的话，就必须加入额外的能量，在离子分离时提高熵值。额外加入的熵，会使单独计算物质是否溶解变得困难。溶剂的定量测量是借由donor number所测。
一般来说，热力学的溶液分析，是借由反应作为标准来分析的。例如:如果加氯化钠到水中，则此盐类，会离解成钠离子和氯离子。此离解的平衡方程式可以借由改变反应的Gibbs free energy来预测。
Max Born已经写出第一个离子化合物的溶剂化定量标准。
参见
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参考资料
[编辑]- ^ 存档副本. [2023-08-01]. （原始内容存档于2023-08-01）.
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- ^ 赵克健主编,现代药学名词手册,中国医药科技出版社,2004.10,第638页
- ^ IUPAC Compendium of Chemical Terminology, Electronic version, http://goldbook.iupac.org/S05747.html （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 国际纯化学和应用化学联合会，化学术语概略，第二版。（金皮书）(1997)。在线校正版: (2006–) "solvation"。doi:10.1351/goldbook.S05747
- ^ 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）.
- ^ 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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）