Ενυδάτωση ιόντων αλκαλίων μετάλλων

Τα ιοντικά στερεά αποτελούνται από μια διασυνδεδεμένη δομή ιόντων. Αυτά τα ιόντα είναι διατεταγμένα σε κανονικό σχέδιο. Κάθε ιοντικό στερεό που δεν έχει καθαρό φορτίο έχει και θετικά ιόντα (που ονομάζονται κατιόντα) και αρνητικά ιόντα (ονομάζονται ανιόντα). Μόλις εισαχθούν στο νερό, αυτές οι ουσίες αρχίζουν να διαλύονται. Τα ιόντα έλκονται και μεταφέρονται στο υδατικό διάλυμα από αυτό το πλαίσιο πλέγματος. Η ενυδάτωση των ιόντων αλκαλιμετάλλων συμβαίνει όταν τα αέρια κατιόντα συνδυάζονται με νερό. Αυτή η ενέργεια αναφέρεται ως ενέργεια ενυδάτωσης του κατιόντος.

Ενυδάτωση ιόντων αλκαλιμετάλλων

Η ενυδάτωση ιόντων αλκαλιμετάλλου είναι η ενέργεια που παράγεται από το σχηματισμό νέου δεσμού ιόντος-νερού. Στα αλκαλικά μέταλλα, η ενθαλπία της ενυδάτωσης μειώνεται καθώς αυξάνεται το μέγεθος των ιόντων. Για παράδειγμα, όταν το χλωριούχο νάτριο (NaCl) διαλύεται στο νερό, οι αλληλεπιδράσεις ιόντων-διπόλων προσελκύουν τα ιόντα νατρίου (Na+) και χλωριούχου (Cl-) μαζί καθώς τα μόρια του διαλύτη περιβάλλουν τα ιόντα, ο κρύσταλλος διαλύεται. Μεμονωμένα ιόντα λαμβάνονται από το στερεό αντικείμενο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας διάλυσης, σχηματίζοντας εντελώς ξεχωριστές, ένυδρες μορφές στο διάλυμα.

Μεταξύ των αλκαλιμετάλλων, τα άλατα χλωριούχου λιθίου είναι ενυδατωμένα. Άλλα αλκαλικά μέταλλα έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ανύδρου χλωριδίου. Επειδή το ιόν λιθίου είναι το μικρότερο ιόν αλκαλιμετάλλου, έχει την πιο πολωτική δύναμη. Αυτή η τάση γίνεται λιγότερο έντονη καθώς κάποιος μετακινείται προς τα κάτω στην ομάδα.

Ενθαλπία ενυδάτωσης

Η ενθαλπία ενυδάτωσης αναφέρεται στην ενέργεια που παράγεται όταν σχηματίζονται νέες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων και μορίων διαλύτη. Σε σύγκριση με τα άλατα μετάλλων της άλλης ομάδας 1, τα άλατα λιθίου είναι τα πιο υδατοδιαλυτά. Για παράδειγμα, το LiClO4 είναι περίπου 12 φορές πιο υδατοδιαλυτό από το NaClO4. Αντίθετα, οι διαλυτότητες των KClO4, RbClO4 και CsClO4 είναι μόνο 3-10 φορές εκείνες του LiClO4. Τα άλατα Li είναι πολύ διαλυτά λόγω της έντονης διαλυτοποίησης του μικρού ιόντος Li+.

Η ενυδάτωση των ιόντων αλκαλιμετάλλου πέφτει καθώς αυξάνονται τα ιοντικά μεγέθη.

Li+> Na+> K+> Rb+> Cs+

Ενυδάτωση και διαλυτότητα ιόντων αλκαλίου μετάλλου

Για να διαλυθεί μια διαλυμένη ουσία σε έναν διαλύτη, το μόριο του νερού πρέπει να υπερνικήσει την υψηλή έλξη μεταξύ των ιόντων. Η ενθαλπία πλέγματος αναφέρεται στην ενέργεια που απαιτείται για να σπάσει η δύναμη έλξης μεταξύ των χορδών.

Τα υδατικά διαλύματα των περισσότερων ιοντικών χημικών ουσιών είναι αδιάλυτα σε μη υδατικά διαλύματα. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων και διαλύτη καθορίζουν τη διαλυτότητα ενός άλατος. Το νερό είναι ένα πολικό μόριο υποδοχέα ανιόντων που αλληλεπιδρά με ιόντα για να σχηματίσει ισχυρούς δεσμούς που απελευθερώνουν ενέργεια.

Υπάρχουν δύο βήματα που εμπλέκονται στη διαδικασία διάλυσης. Η πρώτη ονομάζεται ενθαλπία πλέγματος και η δεύτερη ενθαλπία ενυδάτωσης.

Η πρώτη αντίδραση είναι ενδόθερμη επειδή περιλαμβάνει διάλυση δεσμού στη στερεά διαλυμένη ουσία. Η ενέργεια που παράγεται όταν ένα mole ενός ιοντικού στερεού μετασχηματίζεται σε αέρια ιόντα είναι γνωστή ως ενθαλπία πλέγματος. Όσο περισσότερη ενθαλπία πλέγματος, τόσο περισσότερη ενέργεια απαιτείται για να υπερνικηθεί η έλξη. Ορισμένες χημικές ουσίες είναι αδιάλυτες στο νερό επειδή η τιμή ενθαλπίας πλέγματος τους είναι μεγαλύτερη.

Σχηματισμός ιόντων ενυδατωμένων αλκαλιμετάλλων

Η ενυδάτωση ιόντων αλκαλιμετάλλου σε στερεές επιφάνειες συμβαίνει φυσικά και είναι σημαντική σε πολλές φυσικές και τεχνολογικές διεργασίες.

Σε ένα υδατικό διάλυμα, τα αλκαλιμέταλλα παράγουν αποκλειστικά μονοσθενή ιόντα. Τα χαμηλά ιοντικά τους φορτία και η κάπως μεγάλη ιοντική ακτίνα τους εμποδίζουν να υδρολυθούν ακόμη και σε εξαιρετικά υψηλές τιμές pH. Οι ιοντικές ακτίνες του λιθίου, του νατρίου και του καλίου είναι 0,76, 1,02 και 1,38, αντίστοιχα. Για να κατανοήσουμε καλύτερα τις θερμοδυναμικές αλληλεπιδράσεις ιόντος και ιόντος νερού και πώς επηρεάζουν την εξάτμιση των αλάτων στη φάση ατμού, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τις υδρολυτικές διεργασίες των ιόντων αλκαλιμετάλλων. Λόγω των μεγαλύτερων ιοντικών τους μεγεθών, η σύνδεση των ιόντων ρουβιδίου, καισίου ή φραγκίου με το ιόν υδροξειδίου θα πρέπει να είναι μικρότερη από εκείνη του καλίου με το ιόν υδροξειδίου. Επομένως, η ανίχνευση της υδρόλυσης θα ήταν περίπλοκη είτε σε μικρές είτε σε μεγάλες ποσότητες αλκαλιμετάλλου.

Ανάλυση ενυδάτωσης ιόντων αλκαλιμετάλλων

Τα ιόντα αλκαλιμετάλλων έχουν αναλυθεί χρησιμοποιώντας σκέδαση ακτίνων Χ μεγάλης γωνίας (LAXS), φασματοσκοπία υπερύθρου διπλής διαφοράς και άλλες τεχνικές. Έχει αποδειχθεί ότι οι αποστάσεις δεσμών MO που προέρχονται από το LAXS είναι συγκρίσιμες με αυτές που βρίσκονται σε σχετικές κρυσταλλικές δομές. Αυτές οι επιπτώσεις σχετικά με τα επίπεδα ενυδάτωσης σε ένα υδατικό μέσο μπορούν να εξαχθούν. Επιπλέον, έχουν αναφερθεί διάφορες ιοντικές ακτίνες. Έξι, οκτώ και οκτώ αριθμοί ενυδάτωσης υποβάλλονται για ιόντα νατρίου, καλίου, ρουβιδίου και καισίου σε ένα υδατικό μέσο.

Οι παρατηρήσεις LAXS και DDIR υποδεικνύουν ότι τα ιόντα νατρίου, καλίου, ρουβιδίου και καισίου είναι όλα μόνο ελαφρώς ενυδατωμένα με ένα μόνο κέλυφος μορίου νερού. Το μικρότερο ιόν λιθίου (Li) είναι πιο σταθερά ενυδατωμένο, πιθανότατα λόγω της παρουσίας ενός δεύτερου κελύφους ενυδάτωσης. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι τα ιόντα ρουβιδίου (Rb) και καισίου (Cs) είχαν σχετικά ελάχιστες επιπτώσεις στη δομή του νερού.

Συμπέρασμα

Δεν υπάρχουν φυσικά μέταλλα αλκαλίων λόγω της υψηλής αντιδραστικότητάς τους. Αν και ορισμένα από τα μεταλλεύματά τους είναι ευρέως διαθέσιμα, ο διαχωρισμός τους από τα αντίστοιχα μεταλλεύματα είναι μια πολύπλοκη διαδικασία. Τα ιόντα αλκαλιμετάλλων έχουν υψηλό βαθμό ενυδάτωσης. Περισσότερη ενυδάτωση των ιόντων αλκαλιμετάλλου επιτυγχάνεται όταν το μέγεθος του ιόντος είναι μικρότερο. Ως αποτέλεσμα, τα ιόντα Li+ γίνονται σημαντικά πιο ενυδατωμένα από τα ιόντα Na+, τα οποία ενυδατώνονται σημαντικά ως ιόντα Κ+ και ούτω καθεξής. Η ποσότητα της ενυδάτωσης μειώνεται καθώς κάποιος κινείται προς τα κάτω στη λίστα. Η ενθαλπία ενυδάτωσης του αλκαλιμετάλλου αναφέρεται ως ενέργεια ενυδάτωσης και έχει επίσης αρνητική τιμή.