Fő különbség – megoldási energia vs rácsenergia
A szolvatációs energia egy oldószer Gibbs-energiájának változása, amikor egy oldott anyag feloldódik az oldószerben. A rács energiája vagy az ionokból történő rácsképzés során felszabaduló energia mennyisége, vagy a rács lebontásához szükséges energiamennyiség. A legfontosabb különbség a szolvatációs energia és a rácsenergia között az, hogy a szolvatációs energia adja meg az entalpia változását, amikor egy oldott anyagot oldunk az oldószerben, míg a rácsenergia az entalpia változását adja meg a rács kialakulásakor (vagy lebomlásakor).
Mi az a szolvációs energia?
A szolvatációs energia a Gibbs-energia változása, amikor egy ion vagy molekula vákuumból (vagy gázfázisból) oldószerbe kerül. A szolvatáció az oldószer és az oldott anyag molekulái vagy ionjai közötti kölcsönhatás. Az oldott anyag az a vegyület, amely feloldódik az oldószerben. Egyes oldott anyagok molekulákból állnak, míg mások ionokat tartalmaznak.
Az oldószer és az oldott anyag részecskéi közötti kölcsönhatás meghatározza az oldott anyag számos tulajdonságát. Pl.: oldhatóság, reakciókészség, szín stb. A szolvatáció során az oldott részecskéket oldószermolekulák veszik körül, amelyek szolvatációs komplexeket képeznek. Ha ebben a szolvatációban az oldószer víz, a folyamatot hidratálásnak nevezik.
Különböző típusú kémiai kötések és kölcsönhatások jönnek létre a szolvatációs folyamat során; hidrogénkötések, ion-dipól kölcsönhatások és Van der Waal erők. Az oldószer és az oldott anyag komplementer tulajdonságai határozzák meg az oldott anyag oldószerben való oldhatóságát. Például a polaritás az egyik fő tényező, amely meghatározza az oldott anyag oldószerben való oldhatóságát. A poláris oldott anyagok jól oldódnak poláris oldószerekben. A nem poláris oldott anyagok jól oldódnak nem poláris oldószerekben. De a poláris oldott anyagok oldhatósága nem poláris oldószerekben (és fordítva) rossz.
01. ábra: Nátriumkation oldása vízben
Ami a termodinamikát illeti, a szolvatáció csak akkor lehetséges (spontán), ha a végső oldat Gibbs-energiája kisebb, mint az oldószer és az oldott anyag egyedi Gibbs-energiája. Ezért a Gibbs-szabadenergia negatív érték legyen (a rendszer Gibbs-szabadenergiáját az oldat képződése után csökkenteni kell). A megoldás különböző lépéseket tartalmaz, különböző energiákkal.
- Oldóüreg kialakítása az oldott anyagok számára. Ez termodinamikailag kedvezőtlen, mert amikor az oldószermolekulák közötti kölcsönhatások csökkennek, és az entrópia csökken.
- Az oldott részecske elválasztása a tömbtől termodinamikailag is kedvezőtlen. Ennek az az oka, hogy az oldott anyag-oldat kölcsönhatások csökkennek.
- Az oldószer-oldott anyag kölcsönhatások akkor jönnek létre, amikor az oldott anyag belép az oldószer üregébe, termodinamikailag kedvező.
A szolvatációs energiát a szolvatáció entalpiájaként is ismerik. Hasznos megmagyarázni egyes rácsok oldószerekben való oldódását, míg egyes rácsok nem. Az oldat entalpiájának változása az oldott anyag tömegéből való felszabadítása és az oldott anyag oldószerrel való kombinálása közötti energia különbsége. Ha egy ionnak negatív értéke van az oldat entalpiaváltozására vonatkozóan, az azt jelzi, hogy az ion nagyobb valószínűséggel oldódik fel az oldószerben. A magas pozitív érték azt jelzi, hogy az ion kisebb valószínűséggel oldódik fel.
Mi az a rácsenergia?
A rács energiája egy vegyület kristályrácsában lévő energia mértéke, egyenlő azzal az energiával, amely akkor szabadulna fel, ha az összetevő ionokat a végtelenből összehoznánk. Egy vegyület rácsenergiája úgy is meghatározható, mint az az energiamennyiség, amely egy ionos szilárd anyag gázfázisban lévő atomjaira bontásához szükséges.
Az ionos szilárd anyagok nagyon stabil vegyületek az ionos molekulák képződési entalpiája és a szilárd szerkezet rácsenergiájából adódó stabilitás miatt. De a rács energiája nem mérhető kísérletileg. Ezért Born-Haber ciklust használnak az ionos szilárd anyagok rácsenergiájának meghatározására. Számos kifejezést meg kell érteni, mielőtt Born-Haber ciklust rajzolnánk.
- Ionizációs energia – Az az energiamennyiség, amely egy elektron eltávolításához szükséges a gáz halmazállapotú semleges atomjáról
- Elektron affinitás – Az az energiamennyiség, amely felszabadul, amikor egy elektront hozzáadunk a gáz halmazállapotú semleges atomjához
- Disszociációs energia – Az az energiamennyiség, amely egy vegyület atomokra vagy ionokra való szétszedéséhez szükséges.
- Szublimációs energia – A szilárd anyag gőzévé alakításához szükséges energiamennyiség
- A képződés hője – Az energia változása, amikor egy vegyület képződik elemeiből.
- Hess-törvény – Egy törvény, amely kimondja, hogy egy bizonyos folyamat energiájának általános változása a folyamat különböző lépésekre bontásával határozható meg.
02. ábra: A Born-Haber ciklus a lítium-fluorid (LiF) képződésére
A Born-Haber ciklus a következő egyenlettel adható meg.
Képződéshő=atomizációs hő + disszociációs energia + ionizációs energiák összege + elektronaffinitások összege + rácsenergia
Ekkor egy vegyület rácsenergiáját megkaphatjuk az egyenlet következő átrendezésével.
Rácsenergia=képződéshő – {porlasztási hő + disszociációs energia + ionizációs energiák összege + elektronaffinitások összege}
Mi a különbség a szolvációs energia és a rácsenergia között?
Szolvációs energia vs rácsenergia |
|
| A szolvatációs energia a Gibbs-energia változása, amikor egy ion vagy molekula vákuumból (vagy gázfázisból) oldószerbe kerül. | A rács energiája a vegyület kristályrácsában lévő energia mértéke, egyenlő azzal az energiával, amely akkor szabadulna fel, ha az összetevő ionokat a végtelenből összehoznánk. |
| Alapelv | |
| A szolvatációs energia megadja az entalpia változását, amikor oldott anyagot oldunk az oldószerben. | A rács energia megadja az entalpia változását a rács kialakulásakor (vagy lebomlásakor). |
Összefoglaló – Megoldási energia kontra rácsenergia
A szolvatációs energia egy rendszer entalpiájának változása az oldott anyag oldószerben történő szolvatációja során. A rácsenergia a rács kialakulása során felszabaduló energia mennyisége vagy a rács lebontásához szükséges energiamennyiség. A szolvatációs energia és a rácsenergia közötti különbség az, hogy a szolvatációs energia adja meg az entalpia változását, amikor egy oldott anyagot oldunk az oldószerben, míg a rácsenergia az entalpia változását adja meg a rács kialakulásakor (vagy lebomlásakor).
