O solvatação é a ligação física e química entre o soluto e as partículas de solvente em uma solução. Ele difere do conceito de solubilidade pelo fato de não haver equilíbrio termodinâmico entre um sólido e suas partículas dissolvidas..
Essa união é responsável pelo "desaparecimento" dos sólidos dissolvidos diante dos espectadores; quando na verdade as partículas ficam muito pequenas e acabam “recobertas” por lâminas de moléculas de solvente, o que as torna impossíveis de serem observadas.
Um esboço muito geral da solvatação de uma partícula M é representado na imagem acima. M pode muito bem ser um íon (M+) ou uma molécula; e S é a molécula de solvente, que pode ser qualquer composto no estado líquido (embora também possa ser gasoso).
Observe que M está rodeado por seis moléculas de S, que constituem o que é conhecido como esfera de solvatação primária. Outras moléculas S a uma distância maior interagem por forças de Van der Waals com as primeiras, formando uma esfera de solvatação secundária, e assim por diante, até que alguma classificação não seja evidente..
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Molecularmente, como é o processo de solvatação? A imagem acima resume as etapas necessárias.
As moléculas do solvente, que são de cor azul, são inicialmente ordenadas, todas interagindo umas com as outras (S-S); e as partículas de soluto roxo (íons ou moléculas) fazem o mesmo com interações M-M fortes ou fracas.
Para que a solvatação ocorra, tanto o solvente quanto o soluto devem se expandir (segunda seta preta) para permitir as interações soluto-solvente (M-S)..
Isso implica necessariamente uma diminuição nas interações soluto-soluto e solvente-solvente; diminuição que requer energia e, portanto, esta primeira etapa é endotérmica.
Depois que o soluto e o solvente se expandem molecularmente, os dois se misturam e trocam de lugar no espaço. Cada círculo roxo na segunda imagem pode ser comparado ao da primeira imagem.
Uma mudança no grau de ordenação das partículas pode ser detalhada na imagem; ordenado no início e desordenado no final. Como consequência, a última etapa é exotérmica, pois a formação das novas interações M-S estabiliza todas as partículas da solução..
Por trás do processo de solvatação, existem muitos aspectos energéticos que devem ser levados em consideração. Primeiro: interações S-S, M-M e M-S.
Quando as interações M-S, ou seja, entre o soluto e o solvente, são muito maiores (fortes e estáveis) em comparação com as dos componentes individuais, falamos de um processo de solvatação exotérmica; e, portanto, a energia é liberada para o meio, o que pode ser verificado medindo o aumento da temperatura com um termômetro.
Se, ao contrário, as interações M-M e S-S são mais fortes do que as interações M-S, então para “expandir” elas precisarão de mais energia do que ganham uma vez que a solvatação esteja completa..
Fala-se então de um processo de solvatação endotérmica. Sendo assim, registra-se uma queda de temperatura, ou seja, o entorno é resfriado.
Existem dois fatores fundamentais que determinam se um soluto se dissolve ou não em um solvente. O primeiro é a mudança de entalpia da solução (ΔHdis), como acabamos de explicar, e o segundo é a mudança de entropia (ΔS) entre o soluto e o soluto dissolvido. Geralmente, ΔS está associado ao aumento do distúrbio também mencionado acima.
Foi mencionado que a solvatação é o resultado da ligação física e química entre o soluto e o solvente; No entanto, como exatamente são essas interações ou sindicatos?
Se o soluto for um íon, M+, as chamadas interações íon-dipolo ocorrem (M+-S); e se for uma molécula, então haverá interações dipolo-dipolo ou forças de espalhamento de Londres.
Quando se fala em interações dipolo-dipolo, diz-se que existe um momento dipolo permanente em M e S. Assim, a região rica em elétrons δ de M interage com a região pobre em elétrons δ + de S. O resultado de todas essas interações é a formação de várias esferas de solvatação em torno de M.
Além disso, existe outro tipo de interação: a coordenativa. Aqui, as moléculas S formam ligações de coordenação (ou dativas) com M, formando várias geometrias.
Uma regra fundamental para memorizar e prever a afinidade entre o soluto e o solvente é: igual dissolve igual. Portanto, as substâncias polares se dissolvem muito facilmente em solventes igualmente polares; e substâncias não polares, dissolvem-se em solventes não polares.
Como a solvatação é diferente da hidratação? Os dois processos idênticos, exceto que as moléculas S, na primeira imagem, são substituídas pelas de água, H-O-H.
Na imagem superior você pode ver um cátion M+ rodeado por seis moléculas HdoisO. Observe que os átomos de oxigênio (de cor vermelha) são direcionados para a carga positiva, porque é a mais eletronegativa e, portanto, tem a maior densidade negativa δ-.
Atrás da primeira esfera de hidratação, outras moléculas de água são agrupadas por ligações de hidrogênio (OHdois-Ohdois) Estas são interações íon-dipolo. No entanto, as moléculas de água também podem formar ligações de coordenação com o centro positivo, especialmente se for metálico..
Assim, os famosos aquacomplexes, M (OHdois)n. Como n = 6 na imagem, as seis moléculas são orientadas em torno de M em um octaedro de coordenação (a esfera interna de hidratação). Dependendo do tamanho de M+, a magnitude de sua carga, e sua disponibilidade eletrônica, esta esfera pode ser menor ou maior.
A água é talvez o solvente mais surpreendente de todos: ela dissolve uma quantidade incomensurável de solutos, é um solvente muito polar e tem uma constante dielétrica anormalmente alta (78,5 K).
Três exemplos de solvatação em água são mencionados abaixo.
A dissolução do cloreto de cálcio na água libera calor como solvato de cátions de cálcio.dois+ e Cl ânions-. O CAdois+ envolve-se com um número de moléculas de água igual ou superior a seis (Cadois+-Ohdois).
Da mesma forma, o Cl- é cercado por átomos de hidrogênio, a região δ + da água (Cl--HdoisOU). O calor liberado pode ser usado para derreter massas de gelo.
No caso da ureia, é uma molécula orgânica com estrutura HdoisN-CO-NHdois. Quando solvatadas, as moléculas HdoisOu forma ligações de hidrogênio com os dois grupos amino (-NHdois-Ohdois) e com o grupo carbonil (C = O-HdoisOU). Essas interações são responsáveis por sua grande solubilidade em água..
Da mesma forma, sua dissolução é endotérmica, ou seja, resfria o reservatório de água onde é adicionado.
O nitrato de amônio, assim como a uréia, é um soluto que resfria a solução após a solvatação de seus íons. NH4+ é solvatado de forma semelhante ao Cadois+, embora provavelmente por ser de geometria tetraédrica, tem menos moléculas HdoisOu perto de você; e o NÃO3- é solvatado da mesma maneira que os ânions Cl- (OHdois-OUdoisNÃO- HdoisOU).
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