Efectele termice ale dizolvării

La dizolvare se rup interacțiuni în solvat și solvent și se formează interacțiuni între particulele lor. Dacă energia eliberată la solvatare depășește energia consumată pentru separare, dizolvarea este exotermă și soluția se încălzește; dizolvarea $\mathrm{NaOH}$ în apă este un exemplu. Dacă balanța este inversă, dizolvarea este endotermă și soluția se răcește; $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ în apă este un exemplu. Semnul entalpiei de dizolvare este negativ pentru procesul exoterm și pozitiv pentru cel endoterm. Temperatura observată depinde și de masa soluției și de schimbul de căldură cu mediul.

Cele două etape. Dizolvarea unui cristal ionic are o etapă care consumă energie, separarea ionilor din rețea, și una care eliberează energie, hidratarea ionilor. Entalpia de dizolvare este suma celor două: $\Delta H_{\mathrm{diz}}=\Delta H_{\text{separare}}+\Delta H_{\text{hidratare}}$, cu $\Delta H_{\text{separare}}>0$ și $\Delta H_{\text{hidratare}}<0$. Valoarea se exprimă pentru un mol de substanță dizolvată, în kJ/mol. Pe o diagramă de entalpie, starea finală a unui proces exoterm se află sub starea inițială, iar a unui proces endoterm deasupra ei.

Măsurarea în calorimetru. Căldura schimbată de soluție este $q=mc\Delta T$, unde pentru o soluție apoasă diluată folosim $c=4,18$ J/(g·°C). Căldura de dizolvare pe mol este $\Delta H_{\mathrm{diz}}=-q/n$ pentru un proces exoterm, iar pentru un proces endoterm $\Delta H_{\mathrm{diz}}=+q/n$, cu $q$ luat în valoare absolută.

Exemplu rezolvat 1: calculul încălzirii. Se dizolvă $4,0$ g $\mathrm{NaOH}$ în $96,0$ g apă, la $20,0{}^{\circ }\mathrm{C}$. Cu $\Delta H_{\mathrm{diz}}=-44,5$ kJ/mol, ce temperatură atinge soluția?

1. Cantitatea de substanță: $n=4,0/40=0,10$ mol.
2. Căldura eliberată: $q=0,10\cdot 44,5=4,45$ kJ $=4450$ J.
3. Masa soluției este $100$ g, deci $\Delta T=4450/(100\cdot 4,18)=10,6{}^{\circ }\mathrm{C}$.
4. Temperatura finală este $20,0+10,6=30,6{}^{\circ }\mathrm{C}$. Valoarea măsurată este puțin mai mică, deoarece vasul absoarbe căldură și o parte se pierde în mediu.

Exemplu rezolvat 2: entalpia dintr-o măsurătoare. Se dizolvă $8,0$ g $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ ($M=80$ g/mol) în $92,0$ g apă, iar temperatura scade cu $6,0{}^{\circ }\mathrm{C}$.

1. Căldura absorbită de proces: $q=100\cdot 4,18\cdot 6,0=2508$ J $=2,51$ kJ.
2. Cantitatea dizolvată: $n=8,0/80=0,10$ mol.
3. Procesul este endoterm, deci $\Delta H_{\mathrm{diz}}=+2,51/0,10=+25,1$ kJ/mol, aproape de valoarea din tabel ($+25,7$ kJ/mol).

Exemplu rezolvat 3: efect mic. Pentru $5,85$ g $\mathrm{NaCl}$ ($0,10$ mol) în $94,15$ g apă, căldura absorbită este $0,10\cdot 3,9=0,39$ kJ, deci scăderea de temperatură este numai $390/(100\cdot 4,18)\approx 0,9{}^{\circ }\mathrm{C}$.

Exemplu rezolvat 4: compresa caldă. Se dizolvă $11,1$ g $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$ ($M=111$ g/mol) în $100$ g apă.

1. Cantitatea de substanță: $n=11,1/111=0,10$ mol.
2. Căldura eliberată: $q=0,10\cdot 82,8=8,28$ kJ $=8280$ J.
3. Masa soluției: $11,1+100=111,1$ g, deci $\Delta T=8280/(111,1\cdot 4,18)=17,8{}^{\circ }\mathrm{C}$.

La aceeași cantitate dizolvată, $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$ eliberează de aproape două ori mai multă căldură decât $\mathrm{NaOH}$, fiindcă $\left|\Delta H_{\mathrm{diz}}\right|$ este mai mare.

Aplicații. Compresele calde instant conțin $\mathrm{CaC}{\mathrm{l}}_2$ anhidru, care se dizolvă exoterm, iar cele reci instant conțin $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$, care se dizolvă endoterm; un pachet cu $40$ g $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ ($0,50$ mol) absoarbe $0,50\cdot 25,7=12,9$ kJ. Diluarea acidului sulfuric concentrat eliberează multă căldură, iar acidul este mai dens decât apa. De aceea acidul se toarnă în apă, în fir subțire, sub agitare; apa turnată peste acid rămâne la suprafață, se încălzește local până la fierbere și stropește.

Greșeli frecvente

• Greșit: O dizolvare care încălzește paharul are $\Delta H>0$.
  Corect: procesul este exoterm, deci $\Delta H<0$.
• Greșit: Dacă soluția se răcește, dizolvarea a eliberat căldură.
  Corect: soluția cedează căldură procesului endoterm; $\Delta H_{\mathrm{diz}}>0$.
• Greșit: Dizolvarea $\mathrm{NaCl}$ în apă încălzește soluția.
  Corect: $\Delta H_{\mathrm{diz}}(\mathrm{NaCl})=+3,9$ kJ/mol, deci efectul este endoterm și foarte mic.
• Greșit: Entalpia de dizolvare are aceeași valoare, în kJ, indiferent de cantitatea dizolvată.
  Corect: $\Delta H_{\mathrm{diz}}$ este raportată la un mol; căldura totală schimbată este proporțională cu numărul de moli dizolvați.

Înainte și după