entropi og opløselighed: hvorfor blander olie og vand ikke?113
det faktum, at olie og vand ikke blandes, er velkendt. Det er endda blevet en fælles metafor for andre ting, der ikke blandes (mennesker, trosretninger osv.) Hvad er ikke helt så velkendt er, hvorfor? Olie er et generisk navn for en gruppe forbindelser, hvoraf mange er kulbrinter eller indeholder carbonhydridlignende regioner., Olier er-godt olieagtige, de er glatte og (med risiko for at lyde kedelige) ude af stand til at blande sig med vand. Molekylerne i olivenolie eller majsolie har typisk en lang carbonhydridkæde på omkring 16-18 carbonatomer. Disse molekyler har ofte polære grupper kaldet estere (grupper af atomer, der indeholder C—O-bindinger) i den ene ende.114 når du først har fået mere end seks kulstofatomer i kæden, påvirker disse grupper ikke opløseligheden i vand i høj grad, ligesom de enkelte O —H-grupper i de fleste alkoholer ikke har stor indflydelse på opløseligheden., Så olieagtige molekyler er primært ikke-polære og interagerer med hinanden såvel som med andre molekyler (inklusive vandmolekyler), primært gennem Londons dispersionskræfter (LDFs). Når oliemolekyler spredes i vand, omfatter deres interaktioner med vandmolekyler både LDF ‘ er og interaktioner mellem vanddipolen og en induceret dipol på oliemolekylerne. Sådanne dipolinducerede dipolinteraktioner er almindelige og kan være signifikante., Hvis vi skulle estimere den entalpieændring, der er forbundet med spredning af olieagtige molekyler i vand, ville vi opdage, ATHH er cirka nul for mange systemer. Dette betyder, at den energi, der kræves for at adskille molekylerne i opløsningsmidlet og det opløste stof, er omtrent lig med den energi, der frigives, når de nye opløsningsmiddel–opløste interaktioner dannes.
Husk at entropiændringen forbundet med blot at blande molekyler er positiv., Så hvis den entalpieændring, der er forbundet med blanding af olier og vand, er cirka nul, og blandingens entropi normalt er positiv, hvorfor blandes olie og vand ikke? Det ser ud til, at den eneste mulighed, der er tilbage, er, at ændringen i entropi forbundet med opløsning af oliemolekyler i vand skal være negativ (hvilket gør ΔG positiv.) Desuden, hvis vi spreder oliemolekyler gennem en vandig opløsning, adskilles det blandede system spontant (unmi .es). Dette synes at være en proces, der involverer arbejde. Hvilken kraft driver dette arbejde?,
vær sikker på, at der er en ikke-mystisk forklaring, men det kræver tænkning på både molekylært og systemniveau. Når carbonhydridmolekyler spredes i vand, omarrangeres vandmolekylerne for at maksimere antallet af H-bindinger, de laver med hinanden. De danner en burlignende struktur omkring hvert carbonhydridmolekyle. Dette bur af vandmolekyler omkring hvert carbonhydridmolekyle er et mere ordnet arrangement end det, der findes i rent vand, især når vi tæller op og tilføjer alle de enkelte bur!, Det er snarere som arrangementet af vandmolekyler i is, selvom det er begrænset til regioner omkring carbonhydridmolekylet. Dette mere ordnede arrangement resulterer i et fald i entropi. Jo flere oliemolekyler spredes i vandet, jo større er faldet i entropi. På den anden side, når oliemolekylerne klumper sammen, reduceres området med “bestilt vand”; færre vandmolekyler påvirkes. Derfor er der en stigning i entropi forbundet med klumpning af oliemolekyler —en helt modsat id!!, Denne stigning i entropi fører til en negativ værdi for-TSS på grund af det negative tegn. I mangel af andre faktorer bevæger systemet sig derfor for at minimere interaktionerne mellem olie-og vandmolekyler, hvilket fører til dannelsen af separate olie-og vandfaser. Afhængig af stoffernes relative tætheder kan den olieagtige fase være enten over eller under vandfasen. Denne entropidrevne adskillelse af olie-og vandmolekyler kaldes almindeligvis den hydrofobe virkning., Selvfølgelig er oliemolekyler ikke bange (fobiske) vand, og de afviser ikke vandmolekyler. Husk, at alle molekyler vil tiltrække hinanden via London-spredningskræfter (medmindre de har en permanent og lignende elektrisk ladning).
uopløseligheden af olie i vand styres primært af ændringer i entropi, så det påvirkes direkte af systemets temperatur. Ved lave temperaturer er det muligt at stabilisere blandinger af vand og kulbrinter., I sådanne blandinger, der er kendt som clathrater, er carbonhydridmolekylerne omgivet af stabile celler af vandmolekyler (is). Husk, at IS har relativt store åbne rum inden for sin krystalstruktur. Carbonhydridmolekylerne passer ind i disse huller, hvilket gør det muligt at forudsige den maksimale størrelse af carbonhydridmolekylerne, der kan danne klatrater. For eksempel genererer nogle oceaniske bakterier CH4 (methan), som derefter opløses i koldt vand for at danne metanklathrater., Forskere vurderer, at mellem to og ti gange den nuværende mængde konventionelle naturgasressourcer er til stede som metanklathrater.115