Entropi og Løselighet: Hvorfor ikke Olje og Vann Blanding?113
Det faktum at olje og vann ikke blander er godt kjent. Det har også blitt et vanlig metafor for andre ting som ikke bland (mennesker, tro, etc.) Det er ikke fullt så kjent er, hvorfor? Olje er et generisk navn for en gruppe av forbindelser, og mange av dem er hydrokarboner eller inneholde hydrokarbon-lignende områder., Oljer er – vel – fet, de er glatte og (med fare for å høres kjedelig) ikke i stand til å blande med vann. Molekylene i olivenolje eller maisolje vanligvis har en lang hydrokarbon kjede av om 16-18 karbonatomer. Disse molekylene har ofte polare grupper kalt estere (grupper av atomer som inneholder C—O obligasjoner) i den ene enden.114 Når du får mer enn seks karbonatomer i kjeden, er disse gruppene ikke stor innflytelse oppløselig i vann, akkurat som enkelt O —H grupper i de fleste alkoholer ikke i stor grad påvirke løseligheten., Så, fet molekyler er først og fremst ikke-polar og samhandle med hverandre, samt med andre molekyler (inkludert vann molekyler), først og fremst gjennom London spredning styrker (LDFs). Når olje-molekyler er dispergert i vann, deres interaksjoner med vannmolekyler inkluderer både LDFs og interaksjoner mellom vann dipol og en indusert dipol på olje-molekyler. Slik dipol–indusert dipol interaksjon er vanlig og kan være betydelig., Hvis vi skulle anslå entalpi endre forbundet med å spre fet molekylene i vann, vi vil oppdage ΔH er omtrent null for mange systemer. Dette betyr at den energien som kreves for å skille molekyler i løsemiddel og oppløst stoff er omtrent lik den energien som frigjøres når den nye solvent–oppløst stoff interaksjoner blir dannet.
Husk at entropien endre forbundet med bare blande molekyler som er positivt., Så, hvis entalpi endre forbundet med å blande olje og vann er omtrent null, og entropi av blanding er vanligvis positiv, så hvorfor olje og vann ikke blander? Det ser ut til at den eneste muligheten for venstre er at endringen i entropi forbundet med oppløsning olje-molekylene i vann må være negativ (og dermed gjør ΔG positive.) Dessuten, hvis vi dispergere olje-molekyler gjennom en vandig løsning, blandet system spontant skiller (unmixes). Dette synes å være en prosess som involverer arbeid. Hva kraft driver dette arbeidet?,
trygg, det er et ikke-mystisk forklaring, men det krever at du tenke på både den molekylære systemer og nivå. Når hydrokarbon-molekyler er dispergert i vann, vann molekyler omorganisere for å maksimere antall H-obligasjoner de gjør med hverandre. De danner et bur-lignende struktur rundt hver hydrokarbon-molekylet. Dette buret av vannmolekyler rundt hver hydrokarbon-molekylet er en mer bestilt arrangement enn det som er funnet i rent vann, spesielt når vi teller opp og legge sammen alle de individuelle bur!, Det er snarere som ordning av vann molekylene i is, men begrenset til områder rundt hydrokarbon-molekylet. Dette mer bestilt arrangement resulterer i en reduksjon i entropi. Jo mer olje molekyler spre seg i vannet, jo større reduksjon i entropi. På den annen side, når olje-molekyler clump sammen, er det området av «bestilte vann» er redusert, og mindre vann molekyler som er berørt. Derfor er det en økning i entropi forbundet med klumping av olje-molekyler —et helt counterintuitive idé!, Denne økning i entropi fører til en negativ verdi for –TΔS, på grunn av den negative fortegn. Derfor, i mangel av noen annen faktor systemet beveger seg å minimere interaksjoner mellom olje og vann molekyler, som fører til dannelse av egen olje og vann faser. Avhengig av den relative tettheter av stoffer, fet fasen kan enten være over eller under vann fase. Dette entropi-drevet separasjon av olje og vann molekyler er ofte referert til som den hydrofobe effekt., Selvfølgelig, olje-molekyler er ikke redd for (fobi) av vann, og de ikke frastøte vann molekyler. Husker at alle molekyler tiltrekker hverandre via London spredning styrker (med mindre de har en permanent og lignende elektrisk ladning).
Den insolubility av olje i vann styres først og fremst av endringer i entropi, så det er direkte påvirket av temperatur i systemet. Ved lave temperaturer, er det mulig å stabilisere blandinger av vann og hydrokarboner., I slike blandinger, som er kjent som clathrates, hvilke molekyler som er omgitt av stabil bur av vannmolekyler (is). Husker at isen har relativt store åpne områder innenfor sin krystallstruktur. Hvilke molekyler som passer inn i disse hullene, noe som gjør det mulig å forutsi den maksimale størrelsen på hvilke molekyler som kan danne clathrates. For eksempel, noen oceanic bakterier generere CH4 (metan), som deretter oppløst i kaldt vann og danner metan clathrates., Forskere anslår at mellom to og ti ganger den nåværende mengden av konvensjonell gass ressurser er til stede som metan clathrates.115