Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать со спасением .
Ион натрия, сольватированный молекулами воды.

Сольватация (или растворение ) описывает взаимодействие растворителя с растворенными молекулами. И ионизированные, и незаряженные молекулы сильно взаимодействуют с растворителем, и сила и природа этого взаимодействия влияют на многие свойства растворенного вещества, включая растворимость, реакционную способность и цвет, а также влияют на свойства растворителя, такие как вязкость и плотность. [1] В процессе сольватации ионы окружены концентрической оболочкой растворителя . Сольватация - это процесс реорганизации молекул растворителя и растворенных веществ в сольватационные комплексы. Сольватация включает образование связей, водородных связей исилы Ван-дер-Ваальса . Растворение растворенного вещества водой называется гидратацией. [2]

Растворимость твердых соединений зависит от конкуренции между энергией решетки и сольватацией, включая энтропийные эффекты, связанные с изменениями в структуре растворителя. [3]

Отличие от растворимости [ править ]

Под IUPAC определению, [4] сольватации является взаимодействие растворенного вещества с растворителем , что приводит к стабилизации растворенного вещества видов в растворе . В сольватированном состоянии ион в растворе окружен молекулами растворителя или образует комплекс с ними. Сольватированные частицы часто можно описать координационным числом и комплексными константами устойчивости . Концепция сольватационного взаимодействия может также применяться к нерастворимому материалу, например, сольватация функциональных групп на поверхности ионообменной смолы .

По сути, сольватация отличается от растворимости . Сольватация или растворение - это кинетический процесс, количественно определяемый его скоростью. Растворимость количественно определяет состояние динамического равновесия, достигаемое, когда скорость растворения равна скорости осаждения . Рассмотрение единиц делает различие более ясным. Типичная единица измерения скорости растворения - моль / с. Единицы растворимости выражают концентрацию: масса на объем (мг / мл), молярность (моль / л) и т. Д. [5]

Растворители и межмолекулярные взаимодействия [ править ]

Сольватация включает в себя различные типы межмолекулярных взаимодействий: водородные связи , ионно-дипольные взаимодействия и силы Ван-дер-Ваальса (которые состоят из диполь-дипольных, диполь-индуцированных дипольных и индуцированных диполь-индуцированных дипольных взаимодействий). Какая из этих сил задействована, зависит от молекулярной структуры и свойств растворителя и растворенного вещества. Сходство или дополнительный характер этих свойств растворителя и растворенного вещества определяет, насколько хорошо растворенное вещество может быть сольватировано конкретным растворителем.

Нильский красный при дневном свете (верхний ряд) и УФ-свете (второй ряд) в различных растворителях. Слева направо: 1. Вода, 2. Метанол, 3. Этанол, 4. Ацетонитрил, 5. Диметилформамид, 6. Ацетон, 7. Этилацетат, 8. Дихлорметан, 9. н-гексан, 10. Метил-трет-бутиловый эфир, 11. Циклогексан, 12. Толуол. Фотограф: Армин Кюбельбек, CC-BY-SA, Wikimedia Commons

Полярность растворителя является наиболее важным фактором при определении того, насколько хорошо он растворяет конкретное растворенное вещество. Полярные растворители имеют молекулярные диполи, что означает, что часть молекулы растворителя имеет большую электронную плотность, чем другая часть молекулы. Деталь с большей электронной плотностью будет испытывать частичный отрицательный заряд, а часть с меньшей электронной плотностью будет испытывать частичный положительный заряд. Молекулы полярного растворителя могут сольватировать полярные растворенные вещества и ионы, поскольку они могут ориентировать соответствующую частично заряженную часть молекулы по направлению к растворенному веществу за счет электростатического притяжения. Это стабилизирует систему и создает сольватационную оболочку.(или гидратная оболочка в случае воды) вокруг каждой частицы растворенного вещества. Молекулы растворителя в непосредственной близости от частицы растворенного вещества часто имеют совершенно другой порядок, чем остальная часть растворителя, и эта область с различным упорядочением молекул растворителя называется циботактической областью. [6] Вода является наиболее распространенным и хорошо изученным полярным растворителем, но существуют и другие, такие как этанол , метанол , ацетон , ацетонитрил и диметилсульфоксид . Полярные растворители часто обладают высокой диэлектрической проницаемостью., хотя для классификации полярности растворителя также используются другие шкалы растворителей. Полярные растворители могут использоваться для растворения неорганических или ионных соединений, таких как соли. Проводимость раствора зависит от сольватации его ионов. Неполярные растворители не могут сольватировать ионы, и ионы будут обнаружены в виде ионных пар.

Водородная связь между молекулами растворителя и растворенного вещества зависит от способности каждой из них принимать Н-связи, отдавать Н-связи или и то, и другое. Растворители, которые могут отдавать водородные связи, называются протонными, в то время как растворители, которые не содержат поляризованной связи с атомом водорода и не могут отдавать водородную связь, называются апротонными. Донорская способность водородных связей классифицируется по шкале (α). [7] Протонные растворители могут сольватировать растворенные вещества, которые могут принимать водородные связи. Точно так же растворители, которые могут принимать водородную связь, могут сольватировать растворенные вещества, дающие водородную связь. Акцепторная способность водородной связи растворителя классифицируется по шкале (β). [8] Растворители, такие как вода, могут отдавать и принимать водородные связи, что делает их превосходными при сольватировании растворенных веществ, которые могут отдавать или принимать (или обе) водородные связи.

Некоторые химические соединения обладают сольватохромизмом , то есть изменением цвета из-за полярности растворителя. Это явление показывает, как разные растворители по-разному взаимодействуют с одним и тем же растворенным веществом. Другие эффекты растворителя включают конформационные или изомерные предпочтения и изменения кислотности растворенного вещества.

Энергия сольватации и термодинамические соображения [ править ]

Процесс сольватации будет термодинамически благоприятным только в том случае, если общая энергия Гиббса раствора будет уменьшена по сравнению с энергией Гиббса разделенного растворителя и твердого вещества (или газа или жидкости). Это означает, что изменение энтальпии за вычетом изменения энтропии (умноженное на абсолютную температуру) является отрицательным значением или что энергия Гиббса системы уменьшается. Отрицательная энергия Гиббса указывает на спонтанный процесс, но не дает информации о скорости растворения.

Сольватация включает несколько шагов с разными энергетическими последствиями. Во-первых, в растворителе должна образоваться полость, чтобы освободить место для растворенного вещества. Это как энтропийно, так и энтальпийно невыгодно, поскольку упорядочение растворителей увеличивается, а взаимодействия растворитель-растворитель уменьшаются. Более сильное взаимодействие между молекулами растворителя приводит к большему энтальпийному штрафу за образование полости. Затем частица растворенного вещества должна отделиться от основной массы. Это энтальпически неблагоприятно, поскольку взаимодействия растворенного вещества с растворенным веществом уменьшаются, но когда частица растворенного вещества входит в полость, возникающие в результате взаимодействия растворитель-растворенное вещество являются энтальпийно благоприятными. Наконец, когда растворенное вещество смешивается с растворителем, происходит увеличение энтропии. [6]

Энтальпия раствора является энтальпия раствора минус энтальпия отдельных систем, в то время как энтропия раствора соответствующей разности энтропии . Энергия сольватации (изменение свободной энергии Гиббса ) - это изменение энтальпии за вычетом произведения температуры (в Кельвинах ) на изменение энтропии. Газы имеют отрицательную энтропию растворения из-за уменьшения газового объема по мере растворения газа. Поскольку их энтальпия растворения не слишком сильно уменьшается с температурой, а их энтропия растворения отрицательна и существенно не меняется с температурой, большинство газов менее растворимы при более высоких температурах.

Энтальпия сольватации может помочь объяснить, почему сольватация происходит с некоторыми ионными решетками, но не с другими. Разница в энергии между энергией, необходимой для высвобождения иона из его решетки, и энергией, выделяемой при его соединении с молекулой растворителя, называется изменением энтальпии раствора . Отрицательное значение для изменения энтальпии решения соответствует иону , который может растворять, тогда как высокие положительные средства , что значение сольватация не будет происходить. Возможно, ион растворится, даже если он имеет положительное значение энтальпии. Требуемая дополнительная энергия происходит за счет увеличения энтропии.это происходит, когда ион растворяется. Введение энтропии затрудняет определение одним только расчетом, будет ли вещество растворяться или нет. Количественная мера сольватационной способности растворителей дается номерами доноров . [9]

Хотя раньше предполагалось, что более высокое отношение заряда иона катиона к ионному радиусу или плотности заряда приводит к большей сольватации, это не выдерживает проверки на наличие таких ионов, как железо (III) или лантаноидов и актинидов , которые легко гидролизуются. с образованием нерастворимых (водных) оксидов. Поскольку это твердые вещества, очевидно, что они не сольватированы.

Сильное взаимодействие растворителя и растворенного вещества делает процесс сольватации более благоприятным. Один из способов сравнить, насколько благоприятно растворение растворенного вещества в различных растворителях, - это рассмотреть свободную энергию переноса. Свободная энергия переноса определяет разность свободной энергии между разбавленными растворами растворенного вещества в двух разных растворителях. Это значение по существу позволяет сравнивать энергии сольватации без учета взаимодействий растворенного вещества с растворенным веществом. [6]

Как правило, термодинамический анализ растворов проводится путем моделирования их как реакций. Например, если вы добавите хлорид натрия в воду, соль распадется на ионы натрия (+ водн.) И хлорида (-водн.). Константу равновесия для этой диссоциации можно предсказать по изменению энергии Гиббса этой реакции.

Уравнение Борна используется для оценки свободной энергии Гиббса сольватации газообразного иона.

Недавние исследования с использованием моделирования показали, что изменение энергии сольватации между ионами и окружающими молекулами воды лежит в основе механизма ряда Хофмайстера . [10] [1]

Макромолекулы и сборки [ править ]

Сольватация (в частности, гидратация ) важна для многих биологических структур и процессов. Например, сольватация ионов и / или заряженных макромолекул, таких как ДНК и белки, в водных растворах влияет на образование гетерогенных ансамблей, которые могут отвечать за биологическую функцию. [11] Другой пример, сворачивание белка происходит спонтанно, отчасти из-за благоприятного изменения взаимодействия между белком и окружающими молекулами воды. Свернутые белки стабилизируются на 5-10 ккал / моль относительно развернутого состояния за счет комбинации сольватации и более сильных внутримолекулярных взаимодействий в структуре свернутого белка , в том числеводородная связь . [12] Сведение к минимуму количества гидрофобных боковых цепей, подверженных воздействию воды, путем их захоронения в центре свернутого белка является движущей силой, связанной с сольватацией.

Сольватация также влияет на комплексообразование хозяин-гость. Многие молекулы-хозяева имеют гидрофобную пору, которая легко инкапсулирует гидрофобного гостя. Эти взаимодействия можно использовать в таких приложениях, как доставка лекарств, так что гидрофобная молекула лекарственного средства может быть доставлена ​​в биологическую систему без необходимости ковалентной модификации лекарственного средства для его солюбилизации. Константы связывания комплексов хозяин-гость зависят от полярности растворителя. [13]

Гидратация влияет на электронные и колебательные свойства биомолекул. [14] [15]

См. Также [ править ]

  • Насыщенный раствор
  • Равновесие растворимости
  • Модели на растворителях
  • Уравнение Борна
  • Пересыщение
  • Водная модель

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b М. Адреев; Ж. де Пабль; А. Хремос; Дж. Ф. Дуглас (2018). «Влияние сольватации ионов на свойства растворов электролитов». J. Phys. Chem. B . 122 (14): 4029–4034. DOI : 10.1021 / acs.jpcb.8b00518 . PMID  29611710 .
  2. ^ Кэмбелл, Нил (2006). Химия - Калифорнийское издание . Бостон, Массачусетс: Пирсон Прентис Холл. п. 734. ISBN 978-0-13-201304-8.
  3. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 823. ISBN 978-0-08-037941-8.
  4. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) " solvation ". DOI : 10,1351 / goldbook.S05747
  5. ^ Растворимость - Общие единицы измерения
  6. ^ a b c Эрик В. Анслин; Деннис А. Догерти (2006). Современная физико-органическая химия. Книги университетских наук. ISBN 978-1-891389-31-3 . 
  7. ^ Taft RW, Kamlet MJ (1976). «Сольватохромный метод сравнения. 2. Альфа-шкала кислотности доноров водородных связей (HBD) растворителя». Варенье. Chem. Soc . 98 (10): 2886–2894. DOI : 10.1021 / ja00426a036 .
  8. ^ Taft RW, Kamlet MJ (1976). «Метод сольватохромного сравнения. 1. Бета-шкала основностей акцепторов водородных связей (HBA) в растворителе». Варенье. Chem. Soc . 98 (2): 377–383. DOI : 10.1021 / ja00418a009 .
  9. ^ Гутманн V (1976). «Влияние растворителей на химическую активность металлоорганических соединений». Coord. Chem. Ред . 18 (2): 225. DOI : 10.1016 / S0010-8545 (00) 82045-7 .
  10. ^ М. Адреев; А. Хремос; Х. де Пабло; Дж. Ф. Дуглас (2017). «Крупнозернистая модель динамики растворов электролитов». J. Phys. Chem. B . 121 (34): 8195–8202. DOI : 10.1021 / acs.jpcb.7b04297 . PMID 28816050 . 
  11. ^ А. Хремос; Дж. Ф. Дуглас (2018). «Ассоциация и сольватация полиэлектролитов» . Журнал химической физики . 149 (16): 163305. Bibcode : 2018JChPh.149p3305C . DOI : 10.1063 / 1.5030530 . PMC 6217855 . PMID 30384680 .  
  12. ^ Пейс CN, Ширли Б.А., Макнатты М, Gajiwala К (1996). «Силы, способствующие конформационной стабильности белков». Журнал FASEB . 10 (1): 75–83. DOI : 10.1096 / fasebj.10.1.8566551 . PMID 8566551 . S2CID 20021399 .  CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  13. ^ Стид, Дж. У. и Этвуд, Дж. Л. (2013) Супрамолекулярная химия. 2-е изд. Вайли. ISBN 1118681509 , 9781118681503. 
  14. ^ Mashaghi Реза; и другие. (2012). «Гидратация сильно влияет на молекулярную и электронную структуру мембранных фосфолипидов». J. Chem. Phys . 136 (11): 114709. DOI : 10,1063 / 1,3694280 . PMID 22443792 . 
  15. ^ Бонн Миша; и другие. (2012). «Межфазная вода способствует передаче энергии, вызывая расширенные колебания мембранных липидов». J. Phys Chem . 116 (22): 6455–6460. DOI : 10.1021 / jp302478a . PMID 22594454 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Догонадзе, Реваз ; и др., ред. (1985–88). Химическая физика сольватации (3 т. Изд.). Амстердам: Эльзевир. ISBN  0-444-42551-9 (часть A), ISBN 0-444-42674-4 (часть B), ISBN 0-444-42984-0 (химия)  
  • Цзян Д., Уракава А., Юликов М., Маллат Т., Йешке Г., Байкер А. (2009). «Селективность по размеру металлоорганического каркаса меди и происхождение каталитической активности в эпоксидном алкоголизе». Химия . 15 (45): 12255–62. DOI : 10.1002 / chem.200901510 . PMID  19806616 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) [Один пример сольватированного MOF, где описано частичное растворение.]

Внешние ссылки [ править ]

  • Серафин, Дж. М. Передача свободной энергии и гидрофобный эффект. J. Chem. Educ. 2003, 80, 1194-1196. http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed080p1194