entrópia és oldhatóság: miért nem keveredik az olaj és a víz?113

jól ismert az a tény, hogy az olaj és a víz nem keveredik. Még más dolgok közös metaforájává is vált ,amelyek nem keverednek (emberek, hitek stb.) Mi nem olyan jól ismert, miért? Az olaj a vegyületek egy csoportjának általános neve, amelyek közül sok szénhidrogén vagy szénhidrogén-szerű régiót tartalmaz., Az olajok-jól olajosak, csúszósak ,és (az unalmas hangzás veszélye miatt) nem képesek vízzel keverni. Az olívaolaj vagy a kukoricaolaj molekulái általában hosszú szénhidrogénlánccal rendelkeznek, körülbelül 16-18 szén. Ezeknek a molekuláknak gyakran vannak poláris csoportjai, úgynevezett észterek (atomcsoportok, amelyek C—O kötéseket tartalmaznak) az egyik végén.114 ha több mint hat karbont kap a láncban, ezek a csoportok nem befolyásolják nagymértékben a vízben való oldhatóságot, csakúgy, mint a legtöbb alkohol egyetlen O —H csoportja nem befolyásolja nagymértékben az oldhatóságot., Tehát az olajos molekulák elsősorban nem polárisak, és kölcsönhatásba lépnek egymással, valamint más molekulákkal (beleértve a vízmolekulákat is), elsősorban a londoni diszperziós erők (LDFs) révén. Amikor az olajmolekulák vízben diszpergálódnak, a vízmolekulákkal való kölcsönhatásuk magában foglalja mind az LDF-eket, mind a vízdipól és az olajmolekulák indukált dipólja közötti kölcsönhatásokat. Az ilyen dipól–indukált dipól kölcsönhatások gyakoriak és jelentősek lehetnek., Ha megbecsülnénk a vízben diszpergáló olajos molekulák entalpia változását, felfedeznénk, hogy a ΔH sok rendszer esetében körülbelül nulla. Ez azt jelenti, hogy az oldószerben és az oldott anyagban lévő molekulák elválasztásához szükséges energia nagyjából megegyezik az új oldószer-oldott kölcsönhatások során felszabaduló energiával.

ne feledje, hogy az egyszerűen keverő molekulákhoz kapcsolódó entrópia változás pozitív., Tehát, ha a keverőolajok és a víz entalpia változása körülbelül nulla, és a keverés entrópiája általában pozitív, akkor miért nem keveredik az olaj és a víz? Úgy tűnik, hogy az egyetlen lehetőség maradt, hogy a változás entrópia kapcsolódó oldódó olajmolekulák vízben negatívnak kell lennie (így ΔG pozitív.) Továbbá, ha az olajmolekulákat vizes oldatban diszpergáljuk, a kevert rendszer spontán elválik (unmixes). Úgy tűnik, hogy ez egy olyan folyamat, amely magában foglalja a munkát. Milyen erő hajtja ezt a munkát?,

biztos lehet benne, hogy van egy nem misztikus magyarázat, de mind molekuláris, mind rendszerszintű gondolkodást igényel. Amikor a szénhidrogén molekulák vízben diszpergálódnak, a vízmolekulák átrendeződnek, hogy maximalizálják a H-kötések számát. Mindegyik szénhidrogén molekula körül ketrecszerű szerkezetet alkotnak. Ez a vízmolekulák ketrece minden szénhidrogén molekula körül rendezettebb elrendezés, mint a tiszta vízben, különösen akkor, ha számítunk, és összeadjuk az összes egyes ketrecet!, Ez inkább olyan, mint a vízmolekulák jégben történő elrendezése, bár a szénhidrogén molekula körüli régiókra korlátozódik. Ez a rendezettebb elrendezés az entrópia csökkenését eredményezi. Minél több olajmolekulát diszpergálnak a vízben, annál nagyobb az entrópia csökkenése. Másrészt, amikor az olajmolekulák összezsugorodnak, csökken a “rendezett víz” területe; kevesebb vízmolekulát érint. Ezért növekszik az entrópia, amely az olajmolekulák összetapadásával jár-ez egy teljesen ellentétes ötlet!, Ez az entrópia növekedése negatív értéket eredményez –TΔS, a negatív jel miatt. Ezért más tényező hiányában a rendszer az olaj-és vízmolekulák közötti kölcsönhatások minimalizálására törekszik, ami külön olaj-és vízfázisok kialakulásához vezet. Az anyagok relatív sűrűségétől függően az olajos fázis lehet A vízfázis felett vagy alatt. Az olaj-és vízmolekulák entrópia-alapú szétválasztását általában hidrofób hatásnak nevezik., Természetesen az olajmolekulák nem félnek (fóbiás) a víztől, és nem taszítják el a vízmolekulákat. Emlékezzünk vissza, hogy minden molekula londoni diszperziós erőkkel vonzza egymást (kivéve, ha állandó és hasonló elektromos töltésük van).

az olaj vízben való oldhatatlanságát elsősorban az entrópia változásai szabályozzák, ezért közvetlenül befolyásolja a rendszer hőmérséklete. Alacsony hőmérsékleten lehetséges a víz és a szénhidrogének keverékeinek stabilizálása., Az ilyen keverékekben, amelyeket clathratesnek neveznek, a szénhidrogén molekulákat stabil vízmolekulák (jég) ketrecei veszik körül. Emlékezzünk arra, hogy a jég kristályszerkezetében viszonylag nagy nyitott terek vannak. A szénhidrogén molekulák illeszkednek ezekbe a lyukakba, lehetővé téve a szénhidrogén molekulák maximális méretének előrejelzését, amelyek klatrátokat képezhetnek. Például néhány óceáni baktérium CH4-et (metánt) termel, amelyet ezután feloldunk a hideg vízben, hogy metán-clathrates alakuljon ki., A tudósok becslése szerint a hagyományos földgázforrások jelenlegi mennyiségének két-tízszerese metán-clathrates.115