8.1 Løsningsprosessen

Hva skjer når sukkeret forsvinner?

Du rører en skje sukker i te, og det forsvinner. Men hvor blir det av? Sukkeret er ikke borte -- det er løst opp, spredt som usynlige molekyler i vannet. En løsning er en homogen blanding av to eller flere stoffer, og for å forstå den trenger vi to begreper.

Løsningsmiddelet er stoffet som finnes i størst mengde -- det som løser opp det andre. Det oppløste stoffet er det som løses opp, i mindre mengde. I søt te er vann løsningsmiddelet og sukker det oppløste stoffet. Regelen er enkel: komponenten i størst mengde er løsningsmiddelet. Så i 10 g $\text{NaCl}$ i 200 g vann er vann løsningsmiddelet og salt det oppløste stoffet; i 50 mL etanol i 150 mL vann er vann løsningsmiddelet; og i kullsyreholdig vann er vann løsningsmiddelet og $\text{CO}_2$ det oppløste stoffet.

Løsninger finnes i mange former: fast i væske (sukker i vann), væske i væske (etanol i vann), gass i væske ($\text{CO}_2$ i vann), gass i gass (luft, som er oksygen i nitrogen) og til og med fast i fast (legeringer som messing). Vann er det desidert vanligste løsningsmiddelet, ofte kalt det "universelle løsningsmiddelet".

Likt løser likt

Hvorfor løser salt seg i vann, men ikke i bensin? Hvorfor blander olje seg ikke med vann? Svaret er et av kjemiens mest brukte prinsipper: likt løser likt. Polare stoffer løses i polare løsningsmidler, og upolare stoffer løses i upolare løsningsmidler.

De polare løsningsmidlene -- vann, metanol, etanol -- løser ioneforbindelser (salter) og polare molekyler. De upolare løsningsmidlene -- heksan, benzen, parafin -- løser upolare molekyler som fett og olje.

Men hvorfor er det slik? For at et stoff skal løses, må de intermolekylære kreftene mellom løsningsmiddelmolekylene seg imellom, og mellom de oppløste partiklene seg imellom, brytes og erstattes av nye krefter mellom løsningsmiddel og oppløst stoff. Dette skjer lettest når stoffene har liknende polaritet -- da "matcher" kreftene hverandre. Olje (upolar) blander seg derfor ikke med vann (polart), men gjerne med benzen (upolart).

La oss forutsi noen tilfeller med vann, som er polart. Vil $\text{NaCl}$ løses? Ja -- en ioneforbindelse løses godt i polart vann. Vil metan, $\text{CH}_4$? Nei -- et upolart molekyl løses dårlig. Vil etanol, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$? Ja -- det er polart på grunn av sin -OH-gruppe, og løses godt.

Når vann river saltet fra hverandre

La oss zoome helt inn på øyeblikket et saltkrystall løses. Prosessen der løsningsmiddelmolekyler omgir og samhandler med de oppløste partiklene, kalles solvatisering, og den gjelder alle løsningsmidler. Når løsningsmiddelet spesifikt er vann, kaller vi det hydratisering -- et viktig spesialtilfelle, sentralt i all biologi og kjemi.

Drivkraften er ion-dipol-krefter -- tiltrekningen mellom et ladet ion og et polart molekyl. Vannmolekylet er bøyd og polart, med en delvis negativ ladning ($\delta-$) på oksygenet og delvis positiv ($\delta+$) på hydrogenene. Når $\text{NaCl}$ møter vann, skjer tre ting. Først nærmer vannmolekylene seg krystallet: vannets $\delta-$-oksygen tiltrekkes av $\text{Na}^+$, og vannets $\delta+$-hydrogen av $\text{Cl}^-$. Deretter bryter ion-dipol-kreftene ionebindingene -- vannmolekylene river rett og slett ionene ut av krystallet. Til slutt hydratiseres ionene: $\text{Na}^+$ omgis av vannmolekyler med oksygenet vendt mot seg, og $\text{Cl}^-$ av vannmolekyler med hydrogenet vendt mot seg.

Resultatet er at ionene spres i løsningen, hver omgitt av et hydratisert hylster. Vi skriver dette med "aq" (for aqua, vann): $\text{NaCl}(s) \rightarrow \text{Na}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)$. Det samme skjer med ethvert salt -- løser du $\text{KBr}$ i vann, river vannmolekylene $\text{K}^+$ og $\text{Br}^-$ fra hverandre og hydratiserer dem til $\text{K}^+(aq) + \text{Br}^-(aq)$. Disse ion-dipol-kreftene er sterkere enn dipol-dipol- og Van der Waals-krefter, men svakere enn selve ionebindingen, og det er nettopp de som lar saltløsninger lede strøm.

Vannets mirakel og varmen ved løsning

Vann er ikke et hvilket som helst løsningsmiddel -- det er ganske spesielt, og hemmeligheten ligger i hydrogenbindingene. Vannmolekylet er polart (oksygen mer elektronegativt enn hydrogen), bøyd med en vinkel på omtrent 104,5°, og har partielle ladninger. Hydrogen ($\delta+$) på ett vannmolekyl tiltrekkes av oksygen ($\delta-$) på et annet, og det dannes hydrogenbindinger. Disse gir vann en rekke unike egenskaper: høyt kokepunkt (100 °C, fordi mye energi trengs for å bryte bindingene), høy løselighet for polare stoffer, høy overflatespenning, høy varmekapasitet (viktig for temperaturreguleringen i kroppen din), og det at is flyter på vann. Et fint sammenligningspunkt: vann ($M = 18$ g/mol) koker ved 100 °C mens metan ($M = 16$ g/mol) koker ved −164 °C -- nesten lik masse, men vannets hydrogenbindinger krever enormt mye mer energi å bryte enn metans svake Van der Waals-krefter. Derfor er vann "universelt": det løser ioneforbindelser (via ion-dipol-krefter) og polare molekyler (via hydrogenbindinger), men ikke upolar fett og olje.

Til slutt: løsning innebærer energi. Løsningsentalpi ($\Delta H_\text{soln}$) er energiendringen når 1 mol stoff løses, og den er summen av tre trinn. Først må bindingene i det faste stoffet brytes (endotermt, krever energi). Så må bindingene i løsningsmiddelet brytes (endotermt). Til slutt dannes nye bindinger mellom stoff og løsningsmiddel (eksotermt, frigjør energi): $\Delta H_\text{soln} = \Delta H_1 + \Delta H_2 + \Delta H_3$. Er nettoresultatet positivt, er løsningsprosessen endoterm, og løsningen avkjøles; er det negativt, er den eksoterm, og løsningen varmes opp. Eksemplene viser begge: $\text{NaCl}$ er svakt endotermt ($+3{,}9$ kJ/mol, avkjøles litt), $\text{NaOH}$ er kraftig eksotermt ($-44{,}5$ kJ/mol, blir varm), og $\text{NH}_4\text{NO}_3$ er sterkt endotermt ($+25{,}7$ kJ/mol) -- så kaldt at det brukes i kuldepakker. Blir en løsning kald når du rører ut stoffet, vet du at den er endoterm; blir den varm, er den eksoterm.

Oppsummering

En løsning består av et løsningsmiddel (i størst mengde) og et oppløst stoff. Prinsippet likt løser likt styrer hva som blander seg: polare stoffer i polare løsningsmidler, upolare i upolare. Når noe løses i vann, skjer hydratisering (solvatisering med vann), drevet av ion-dipol-krefter der vannets polare ender river ionene ut av krystallet og omgir dem -- som i $\text{NaCl}(s) \rightarrow \text{Na}^+(aq) + \text{Cl}^-(aq)$.

Vann er et unikt løsningsmiddel takket være hydrogenbindinger, som gir høyt kokepunkt, høy varmekapasitet og evnen til å løse ioner og polare molekyler. Til slutt beskriver løsningsentalpi ($\Delta H_\text{soln}$) energiendringen ved løsning: bryt bindinger i stoffet (endotermt) + bryt bindinger i løsningsmiddelet (endotermt) + dann nye bindinger (eksotermt). Er netto positiv, blir løsningen kald (endoterm); er den negativ, blir den varm (eksoterm).