entropia ja liukoisuus: Why Don ’ t Oil and Water Mix?113

tiedetään hyvin, että öljy ja vesi eivät sekoitu. Siitä on tullut jopa yleinen metafora muille asioille, jotka eivät sekoitu (ihmiset, uskot jne.) Mikä ei ole aivan niin tunnettu on, miksi? Öljy on yleisnimi ryhmälle yhdisteitä, joista monet ovat hiilivetyjä tai sisältävät hiilivedyn kaltainen alueilla., Öljyt ovat-hyvin öljyinen, ne ovat liukkaita ja (vaarassa kuulostaa pitkäveteiseltä) kykenemättömiä sekoittumaan veteen. Oliiviöljyn tai maissiöljyn molekyyleillä on tyypillisesti pitkä hiilivetyketju, joka on noin 16-18 hiilivetyä. Näissä molekyyleissä on usein polaariryhmiä, joita kutsutaan estereiksi (atomiryhmiä, jotka sisältävät C—O-sidoksia) toisessa päässä.114 Kun saat enemmän kuin kuusi hiiliatomia ketjussa, nämä ryhmät eivät suuresti vaikuttaa liukoisuus veteen, aivan kuten yhden O —H ryhmien useimmat alkoholit eivät suuresti vaikuttaa liukoisuuteen., Niin, rasvainen molekyylit ovat pääasiassa non-polar ja vuorovaikutuksessa keskenään sekä muiden molekyylien (kuten vesimolekyylit), pääasiassa Lontoon hajonta voimia (LDFs). Kun öljy molekyylit ovat hajallaan vedessä, niiden vuorovaikutus vedellä molekyylit sisältävät sekä LDFs ja vuorovaikutukset veden dipoli ja indusoitu dipoli öljy molekyylejä. Tällaiset Dipolin aiheuttamat dipoliyhteisvaikutukset ovat yleisiä ja voivat olla merkittäviä., Jos me arvioida entalpia muutos liittyy hajotus rasvainen molekyylejä vettä, meillä olisi löytää ΔH on noin nolla monia järjestelmiä. Tämä tarkoittaa, että liuottimen ja liuotinaineen molekyylien erottamiseen tarvittava energia on suunnilleen yhtä suuri kuin uusien liuotin–liuotin-vuorovaikutusten muodostuessa vapautuva energia.

Muista, että entropian muutos liittyy yksinkertaisesti sekoittamalla molekyylejä on positiivinen., Joten, jos entalpia muutos liittyy sekoittamalla öljyt ja vesi on noin nolla, ja entropia sekoittaminen on yleensä positiivinen, miksi öljy ja vesi eivät sekoita? Näyttää siltä, että ainoa mahdollisuus on, että muutos entropia liittyy liuottamalla öljy molekyylejä vettä on oltava negatiivinen (jolloin ΔG positiivinen.) Lisäksi, jos hajotamme öljymolekyylejä vesiliuoksen läpi, sekajärjestelmä spontaanisti erkanee (unmixes). Tämä näyttää olevan prosessi, johon liittyy työtä. Mikä voima ajaa tätä työtä?,

olla varma, on ei-mystinen selitys, mutta se vaatii ajattelua sekä molekyyli-ja järjestelmien tasolla. Kun hiilivety molekyylit ovat hajallaan vedessä vesimolekyylit järjestää maksimoida määrä S-obligaatioita he tekevät keskenään. Ne muodostavat häkkimäisen rakenteen jokaisen hiilivetymolekyylin ympärille. Tämä häkki vesimolekyylien ympärille hiilivety-molekyyli on enemmän järjestämisessä kuin että löytyy puhdasta vettä, erityisesti silloin, kun me laskea ja lisätä yhdessä kaikki yksittäisten häkkien!, Se muistuttaa pikemminkin vesimolekyylien järjestelyä jäässä, vaikka rajoittuukin hiilivetymolekyylin ympärillä oleviin alueisiin. Tämä tilatumpi järjestely johtaa entropian vähenemiseen. Mitä enemmän öljymolekyylit hajoavat veteen, sitä suurempi entropian väheneminen on. Toisaalta, kun öljymolekyylit kasaantuvat yhteen, ”tilatun veden” pinta-ala pienenee; vesimolekyylit kärsivät vähemmän. Siksi entropian lisääntyminen liittyy öljymolekyylien paakkuuntumiseen – täysin vastakkainen ajatus!, Tämä entropian kasvu johtaa negatiiviseen arvoon-TΔS, koska negatiivinen merkki. Siksi, koska mikään muu tekijä, järjestelmä siirtyy minimoida vuorovaikutusta öljy ja vesi molekyylejä, mikä johtaa muodostumista erillinen öljyn ja veden faasien. Riippuen suhteellinen tiheys aineita, öljyinen vaihe voi olla joko ylä-tai alapuolella veden vaiheeseen. Tätä öljyn ja vesimolekyylien entropialähtöistä erottelua kutsutaan yleisesti hydrofobiseksi vaikutukseksi., Öljymolekyylit eivät tietenkään pelkää (fobista) vettä, eivätkä ne karkota vesimolekyylejä. Muista, että kaikki molekyylit houkuttelevat toisiaan Lontoon dispersiovoimien kautta (ellei niillä ole pysyvää ja samankaltaista sähkövarausta).

liukenemattomuustesti, öljy vesi on ohjattu pääasiassa muutokset entropia, joten se on suoraan vaikuttanut lämpötilan järjestelmä. Alhaisissa lämpötiloissa on mahdollista vakauttaa veden ja hiilivetyjen seoksia., Tällaisissa klathraatteina tunnetuissa seoksissa hiilivetymolekyylejä ympäröivät vesimolekyylien (jään) vakaat häkit. Muista, että jäällä on suhteellisen suuret avoimet tilat kiderakenteessaan. Hiilivety molekyylit mahtuvat näihin reikiin, jolloin on mahdollista ennustaa maksimikoko hiilivety molekyylejä, jotka voivat muodostaa clathrates. Esimerkiksi jotkin valtameribakteerit tuottavat CH4: ää (metaania), joka sitten liukenee kylmään veteen muodostaen metaaniklathraatteja., Tutkijat arvioivat, että metaaniklathraatteina esiintyy kahdesta kymmeneen kertaa nykyistä enemmän tavanomaisia maakaasuvaroja.115