Почему биотопливо растворяется в гексане

Что такое решение?

Растворы – это гомогенные смеси двух или более чистых веществ. Для наших целей мы обычно будем обсуждать растворы, содержащие одно растворенное вещество и воду в качестве растворителя. Что такое растворитель? Грубо говоря, это молекула в смеси с наибольшей концентрацией. То есть если бы у вас был литр соли и 2 грамма воды. В этом случае соль будет растворителем, а вода растворенным веществом. Но этот тип смеси был бы бесполезен, так зачем беспокоиться о его приготовлении.

Когда мы помещаем растворенные вещества и растворители вместе, происходит то, что мы называем процессом решения. Вы можете думать об этом как о том, что вы испытали бы, если бы попытались втиснуться в уже переполненный лифт. Каждый должен приспособиться, чтобы снова «найти свое пространство». Теперь, как и в лифте, молекулы будут приспосабливаться по-разному в зависимости от типа молекулы, совершающей вход. И также, как в лифте, наступит момент, когда больше нельзя будет добавить людей. Для раствора эта точка называется точкой насыщения, а само решение называется точкой насыщения. насыщенный раствор. В точке насыщения растворенное вещество больше не растворяется в растворителе. Скорее процесс растворения и осаждения происходят одновременно и с одинаковой скоростью.

Вообще говоря, в воде растворяются только определенные молекулы. Старая фраза «подобное растворяется в подобном» или «одного поля ягоды слетаются в стаю» очень верна в отношении того, в какой степени растворенные вещества растворяются. растворимый или же смешиваемый в разных растворителях. При очень низких концентрациях почти все молекулы частично растворимы во всех растворителях.Но по тенденции ионные и полярные растворенные вещества более растворимы в полярных растворителях, а неполярные молекулы растворимы в неполярных (в основном органических) растворителях. Единицы концентрации, которые мы только что обсуждали, используются для описания степени растворимости растворенного вещества в растворителе.

Когда вы помещаете неполярную молекулу в полярный растворитель (например, масло в воду), молекулы пытаются свести к минимуму поверхностный контакт между собой. (как ты и парень с простудой в лифте). На самом деле это основа клеток нашего тела. Липиды (маслянистые жирные кислоты) образуют наши клеточные мембраны, так что их неполярные хвосты обращены внутрь от полярной цитоплазмы, а полярные головки обращены к полярной цитоплазме.

Почему формируются решения?

Хотя большая часть объяснений того, почему одни вещества смешиваются и образуют растворы, а другие — нет, выходит за рамки этого класса, мы можем получить представление о том, почему образуются растворы, взглянув на процесс, посредством которого этанол, C₂ЧАС₅ОН растворяется в воде. Этанол на самом деле смешивается с водой, а это означает, что две жидкости можно смешивать в любой пропорции без ограничения их растворимости. Многое из того, что мы сейчас знаем о тенденции частиц к более рассеянному, также может быть использовано для понимания такого рода изменений.
Представьте себе слой этанола, осторожно добавляемый поверх небольшого количества воды (рисунок ниже). Поскольку частицы жидкости постоянно движутся, часть частиц этанола на границе между двумя жидкостями немедленно перейдет в воду, а часть молекул воды перейдет в этанол. В этом процессе притяжение вода-вода и этанол-этанол нарушается и формируется притяжение этанол-вода. Поскольку и этанол, и вода являются молекулярными веществами со связями O-H, притяжение, нарушенное между молекулами воды, и притяжение, нарушенное между молекулами этанола, представляют собой водородные связи.Притяжения, которые образуются между молекулами этанола и воды, также являются водородными связями (рисунок ниже).

Поскольку притяжение между частицами очень похоже, свобода движения молекул этанола в водном растворе примерно такая же, как их свобода движения в чистом этаноле. То же самое можно сказать и о воде. Из-за этой свободы движения обе жидкости будут растекаться, чтобы заполнить общий объем объединенных жидкостей. Таким образом, они перейдут в наиболее вероятное, наиболее рассредоточенное доступное состояние, в состояние полного смешения. Существует гораздо больше возможных вариантов расположения этой системы, когда молекулы этанола и воды рассредоточены по всему раствору, чем когда они ограничены отдельными слоями. (Рисунок ниже).

Теперь мы можем объяснить, почему охлаждающие жидкости автомобильных радиаторов растворяются в воде. Охлаждающие жидкости обычно содержат либо этиленгликоль, либо пропиленгликоль, которые, подобно этанолу и воде, содержат водородные связи O-H.

Эти вещества легко смешиваются с водой по той же причине, по которой этанол легко смешивается с водой. Притяжения, разрываемые при смешении, представляют собой водородные связи, а образующиеся притяжения также являются водородными связями. Нет никакой причины, по которой частицы каждой жидкости не могли бы свободно перемещаться из одной жидкости в другую и поэтому смещались бы в сторону наиболее вероятного (наиболее дисперсного) смешанного состояния.

Почему углеводороды нерастворимы в воде?

У нас другая ситуация, когда мы пытаемся смешать гексан, C₆ЧАС₁₄и вода. Если мы добавим гексан в воду, гексан будет плавать на поверхности воды без видимого перемешивания. Причины, по которым гексан и вода не смешиваются, сложны, но следующее дает вам случайно заметить почему гексан нерастворим в воде.

На самом деле происходит очень незначительное смешивание молекул гексана и воды. Естественная тенденция к рассеиванию приводит к тому, что некоторые молекулы гексана перемещаются в воду, а некоторые молекулы воды — в гексан.При движении молекулы гексана в воду разрываются силы Лондона между молекулами гексана и водородные связи между молекулами воды. Новые притяжения между гексаном и молекулами воды действительно образуются, но поскольку новые притяжения сильно отличаются от прерванных притяжений, они вносят существенные изменения в структуру воды. Считается, что молекулы воды приспосабливаются, чтобы компенсировать потерю некоторых водородных связей и образование более слабых притяжений гексан-вода, образуя новые водородные связи и приобретая новое расположение.

В целом силы притяжения в системе после перехода молекул гексана и других углеводородов в воду примерно эквивалентны силам притяжения в отдельных веществах. По этой причине при растворении небольшого количества углеводорода в воде поглощается или выделяется мало энергии. Поэтому, чтобы объяснить, почему в воде растворяются лишь очень небольшие количества углеводородов, таких как гексан, мы должны рассмотреть изменение энтропии системы. Неочевидно, но когда молекулы гексана переходят в слой воды, частицы в созданном новом расположении фактически менее дисперсны (более низкая энтропия), чем отдельные жидкости. Естественная тенденция к большему рассеиванию способствует разделению гексана и воды и препятствует их смешиванию.

Это помогает объяснить, почему бензин и вода не смешиваются. Бензин представляет собой смесь углеводородов, включающую гексан. Бензин и вода не смешиваются, потому что неполярные молекулы углеводорода разрушили бы воду таким образом, чтобы создать структуру с более низкой энтропией; поэтому вероятность существования смеси меньше, чем отдельных жидкостей.

Мы можем применить то, что мы знаем о смешивании этанола и воды, к смешиванию двух углеводородов, таких как гексан, C₆ЧАС₁₄, и пентан, C₅ЧАС₁₂. При переходе неполярных молекул пентана в неполярный гексан силы Лондона между молекулами гексана разрушаются, но между молекулами гексана и пентана образуются новые силы Лондона. Поскольку молекулы очень похожи, структура раствора и силы притяжения между частицами очень похожи на структуру и притяжение, обнаруживаемые в отдельных жидкостях. Когда эти свойства в растворе существенно не отличаются от отдельных жидкостей, можно предположить, что раствор имеет более высокую энтропию, чем отдельные жидкости. Поэтому, когда очень похожие жидкости, такие как пентан и гексан, смешиваются, естественная тенденция к увеличению энтропии переводит их в раствор.

Экзотермические изменения приводят к увеличению энергии окружения, что приводит к увеличению числа способов, которыми эта энергия может быть организована в окружении, и, следовательно, приводит к увеличению энтропии окружения. Эндотермические изменения приводят к уменьшению энергии окружения, что ведет к уменьшению числа способов, которыми эта энергия может быть организована в окружении, и, следовательно, приводит к уменьшению энтропии окружения. Поэтому экзотермические изменения более вероятны, чем эндотермические изменения. Мы можем использовать это обобщение, чтобы объяснить, почему ионные соединения нерастворимы в гексане. Чтобы ионное соединение растворилось в гексане, необходимо разрушить ионные связи и притяжения между молекулами гексана, и возникнет притяжение между ионами и гексаном. Новые притяжения, образующиеся между ионами и гексаном, будут значительно слабее, чем нарушенные притяжения, что делает процесс растворения значительно эндотермическим. Тенденция к переходу к раствору с более высокой энтропией не может преодолеть уменьшение энтропии среды, сопровождающее эндотермическое изменение, поэтому ионные соединения нерастворимы в гексане.

Ионные соединения часто растворимы в воде, потому что притяжение, образующееся между ионами и водой, часто бывает достаточно сильным, чтобы сделать их раствор либо экзотермическим, либо лишь слегка эндотермическим. Например, раствор гидроксида натрия экзотермичен, а раствор хлорида натрия несколько эндотермичен. Даже если раствор слегка эндотермичен, тенденция к переходу к раствору с более высокой энтропией довольно часто делает ионные соединения растворимыми в воде.

Прогнозирование растворимости

Граница между тем, что мы называем растворимым, и тем, что мы называем нерастворимым, произвольна, но следующие общие критерии для описания веществ как нерастворимых, растворимых или умеренно растворимых.

Если в 100 миллилитрах (или 100 г) растворителя растворяется менее 1 грамма вещества, то вещество считается нерастворимым.

Если в 100 миллилитрах (или 100 г) растворителя растворяется более 10 граммов вещества, то вещество считается растворимым.

Если в 100 миллилитрах (или 100 г) растворителя растворяется от 1 до 10 граммов вещества, вещество считается умеренно растворимым.

Хотя трудно определить конкретную растворимость, не найдя ее экспериментально или не обратившись к таблице растворимости, у нас есть рекомендации, которые позволяют нам предсказать относительную растворимость. Главным среди них является

Например, это руководство можно использовать для предсказания того, что этанол, состоящий из полярных молекул, будет растворим в воде, которая также состоит из полярных молекул. Точно так же пентан (C5H12), молекулы которого неполярны, смешивается с гексаном, молекулы которого также неполярны. Мы будем использовать правило «подобно растворяется подобно», чтобы предсказать, будет ли вещество более растворимо в воде или в гексане. Его также можно использовать для предсказания того, какое из двух веществ более растворимо в воде и какое из двух веществ более растворимо в неполярном растворителе, таком как гексан:
Полярные вещества, вероятно, растворяются в полярных растворителях. Например, ионные соединения, которые очень полярны, часто растворимы в воде полярного растворителя.
Неполярные вещества, вероятно, растворяются в неполярных растворителях. Например, неполярные молекулярные вещества, вероятно, растворяются в гексане, обычном неполярном растворителе.

Из них вытекают два дополнительных правила:

Неполярные вещества вряд ли растворяются в значительной степени в полярных растворителях. Например, неполярные молекулярные вещества, такие как углеводороды, скорее всего, будут нерастворимы в воде.

Полярные вещества вряд ли растворяются в значительной степени в неполярных растворителях. Например, ионные соединения нерастворимы в гексане.

Предсказать растворимость полярных молекулярных веществ труднее, чем растворимость ионных соединений и неполярных молекулярных веществ. Многие полярные молекулярные вещества растворимы как в воде, так и в гексане. Например, этанол смешивается как с водой, так и с гексаном. Полезно следующее обобщение:

Вещества, состоящие из небольших полярных молекул, например ацетон и этанол, обычно растворимы в воде. (Они также часто растворяются в гексане.)

Краткое изложение рекомендаций по растворимости

Тип вещества	Растворим в воде?	Растворим в гексане?
Ионные соединения	Часто	Нет
Молекулярные соединения с неполярными молекулами	Нет	Да
Молекулярные соединения с небольшими полярными молекулами	Обычно	Часто

Теплота раствора

Процесс растворения – это процесс, в котором участвуют разрыв и создание облигаций, и что включает в себя энергию. Из закона Гесса мы знаем, что мы можем суммировать энергии каждого шага в цикле, чтобы определить энергию всего процесса. Следовательно, энергия образования раствора, энтальпия растворения, равна сумме трех стадий: D H_{раствор} = Д Н₁ + Д Н₂ + Д Н₃.

1. Разрыв связей требует или поглощает энергию. Этот процесс эндотермический. — Д Н_{решетка} (здесь необходим отрицательный знак, потому что энергия решетки обычно измеряется для образования соли, а не для ее разрушения)
2. Образование связей высвобождает энергию. Этот процесс экзотермический. Д Н_{увлажнение}
3. Растворение в целом может быть либо эндотермическим, либо экзотермическим, в зависимости от того, было ли использовано больше энергии для разрыва связей или больше энергии было высвобождено при образовании новых связей. Если при образовании связей высвобождается больше энергии, чем используется при их разрыве, то процесс является экзотермическим. Если используется больше энергии, чем высвобождается, то процесс эндотермический.

Щелкните в любом месте рисунка ниже, чтобы запустить анимацию. ПРИМЕЧАНИЕ. Для запуска вам понадобится Java Script.