Rozpouštění ve vodě

 

Voda je nejběžnějším polárním rozpouštědlem - rozpouští velký počet látek, je v kapalném skupenství při běžných teplotách, neruší svou přítomností při většině analytických operací a je velmi snadno dostupná v čisté formě. Vlastnosti vody jsou dány její strukturou. Molekuly vody mají dipólový charakter a jsou k sobě poutány elektrostatickými silami mezi opačně nabitými póly, tzv. vodíkovými vazbami.

 

Při rozpouštění látek ve vodě se vodíkové vazby mezi molekulami vody porušují a uvolněné molekuly vody jsou přitahovány k částicím rozpuštěných látek, které obklopují neboli hydratují. Jsou-li nové přitažlivé síly dostatečně velké, přechází látka do roztoku. Mechanismus rozpouštění látek ve vodě může být různý podle jejich povahy.

 

Iontové sloučeniny se při rozpouštění ve vodě štěpí na volné ionty neboli elektro­lyticky disociují podle schématu

 

             H₂O

M⁺A^-     ¾®    M ⁺  +  A(H₂O)_y^- 

 

Vzniklý roztok vede elektrický proud, stupeň disociace, tj. poměr disociovaného podílu rozpuštěné látky k celkovému obsahu látky v roztoku, můžeme sledovat měře­ním vodivosti.

 

Je-li disociace úplná, vyskytuje se rozpuštěná látka v roztoku jen ve formě hydratovaných iontů. Takovou látku nazýváme silným elektrolytem.

 

Většina anorga­nických solí (např. KCl, Na₂SO₄, HN0₃), některé kyseliny (HClO₄) i zásady (KOH, NaOH) jsou silnými elektrolyty a jsou ve svých zředěných vodných roztocích zcela disociovány. Zvětšujeme-li koncentraci iontů v roztoku, vzrůstá vodivost roztoku pomaleji než jeho koncentrace. Je to způsobeno tím, že se opačně nabité ionty v roztoku navzájem přitahují a vytvářejí agregáty, které se pohybují pomaleji než volné hydratované ionty. Mezi-iontové interakce v roztocích silných elektrolytů způsobují, že se tyto látky při větších koncentracích chovají tak, jako by nebyly zcela disociovány. Čím větší je koncentrace iontů a čím větší jsou jejich náboje, tím výrazněji se tyto interakce projevují. Je třeba rozlišovat mezi koncentrací, která je dána množstvím rozpuštěné látky, a její aktivita, jež odpovídá skutečné účinnosti látky.

 

Polární kovalentní sloučeniny

Také některé silně polární kovalentní sloučeniny se při rozpouštění ve vodě chovají jako silné elektrolyty.

 

Vlivem dipólových molekul vody (popř. jiného polárního rozpouštědla) probíhá nejprve ionizace kovalentní sloučeniny a vzniká iontový asociát, v němž jsou k sobě ionty poutány jen elektrostatickými silami. V závislosti na dielektrické konstantě rozpouštědla se asociát více nebo méně štěpí - nastává elektrolytická disociace. Ve vodném prostředí probíhají oba pochody současně, protože velká hodnota dielektrické konstanty vody způsobuje výrazné zmenšení mezi-iontové přitažlivosti.

 

Zpravidla se proto celý uvedený děj zahrnuje pod pojmem disociace.

 

V polárních rozpouštědlech s malou dielektrickou konstantou je třeba rozlišovat mezi ionizací (může být úplná) a disociací, která probíhá jen částečně.

 

Některé kovalentní sloučeniny se při rozpouštění ve vodě štěpí na příslušné ionty jen neúplně. Nazýváme je slabými elektrolyty. Jsou to např. některé anorganické kyseliny (HF, HCN) nebo amoniak, který se rozpouští ve vodě, hydratuje se a částečně vodu štěpí podle schématu

 

NH₃ + H₂O ¬¾®  NH₄⁺ + OH^-

 

Slabými elektrolyty jsou též organické sloučeniny s polárními (hydrofilními) skupinami (např. alkoholy -OH, aminy -NH₂, karbonylové kyseliny -COOH) schopné vytvářet prostřednictvím těchto skupin vodíkové vazby s molekulami vody a tím přecházet do roztoku. Větší počet polárních skupin rozpustnost podporuje (např. sacharidy) a naopak se stoupajícím obsahem uhlíku rozpustnost organických slouče­nin ve vodě klesá.

 

Organické látky jsou ve vodném roztoku většinou přítomny ve formě hydratovaných molekul a jen malý podíl disociuje na ionty.

 

Nepolární kovalentní sloučeniny (např. uhlovodíky) nejsou schopny interakce s vodou. Ačkoliv jsou jejich částice k sobě poutány jen slabými silami, je rozpustnost těchto látek ve vodě malá.

 

Rozpustnost elektrolytů ve vodě

Při rozpouštění tuhého elektrolytu ve vodě uvolňují dipólové molekuly vody z tuhé látky ionty a hydratují je. Tuhý elektrolyt může obsahovat ionty vázané v krysta­lové mřížce elektrostatickými silami nebo polární kovalentní molekuly. Energie potřebná k porušení vazby se získává hydratací uvolněných iontů. Rozdíl mezi hydratační energií iontů a pevností jejich vazby v tuhém skupenství určuje rozpustnost sloučeniny.

 

Rozpustnost iontových sloučenin

Pevnost vazby mezi ionty v tuhé látce určuje mřížková energie. Její hodnota závisí na vzdálenosti mezi ionty v krystalové mřížce, která je dána rozměry iontů, na veli­kosti náboje iontů a na jejich uspořádání. Také elektronová konfigurace iontů, polarizační účinek kationtů, popř. polarizovatelnost aniontů mají vliv na velikost mezi-iontových sil i na hodnotu mřížkové energie.

 

Velkými elektrostatickými silami jsou k sobě v krystalové mřížce přitahovány malé ionty s velkými náboji. Zvětšuje-li se poloměr iontů nebo zmenšuje-li se jejich náboj, zmenšují se přitažlivé síly.

 

Rozpustnost iontových sloučenin závisí do značné míry na rozdílu mezi mřížkovou a hydratační energií. U málo roz­pustných látek přitom převažuje mřížková energie sloučeniny nad energií hydratační a naopak velmi rozpustné látky mají větší hydratační energii než energii mřížkovou.

 

Byly odvozeny různé matematické vztahy pro výpočet mřížkové a hydratační energie iontových sloučenin a zjištěny závislosti mezi rozpustností některých skupin těchto látek a iontovým potenciálem. Tyto závislosti však nemají obecný význam, neboť do výpočtu nelze zahrnout všechny faktory, které rozpouštění ovlivňují. Přispívají však k poznání vlastností iontů a umožňují jejich výklad.

 

Rozpustnost elektrolytů s polární kovalentní vazbou

Pevnost vazby některých tuhých elektrolytů je větší, než odpovídá mezi-iontové přitažlivosti. Předpokládáme, že součásti takových látek jsou vázány kovalentní vazbou, která je do jisté míry polarizována (vazebné elektrony jsou blíže k elektronegativnější součásti elektrolytu) a při rozpouštění se sloučeniny mohou rozštěpit polarizačním účinkem vody na ionty.

Rozpustnost takových sloučenin závisí podobně jako u látek s iontovou vazbou na rozdílu mezi hydratační energií iontů a energií potřebnou k porušení vazby mezi součástmi tuhé látky. U polárních kovalentních sloučenin je ale třeba dokončit přesun vazebných elektronů, vytvořit ionty a oddělit je. Probíhají tu dva pochody - nejprve ionizace a pak disociace. Potřebná energie je pochopitelně větší než při překonávání pouhých elektrostatických interakcí v ionto­vých sloučeninách a rozpustnost tuhých elektrolytů s kovalentní vazbou bývá zpravidla malá.

 

Ionizace kovalentní sloučeniny je tím obtížnější, čím menší je polarita vazby. Záleží na tom, jakou mají atomy, mezi nimiž se vazba vytvořila, afinitu k elektronům, tj. na jejich elektronegativitě.

 

 

Další informace

• Protolytické rovnováhy - kyseliny a zásady
• Protolytické rovnováhy ve vodě
• Protolytické rovnováhy v odměrné analýze
• Chemická rovnováha

 

Jaroslava Vávrová

.