Warum lässt sich Salz so schwer aus Wasser entfernen?

Aus den Feynman Lectures on Physics , Bd. Ich [1]:

Was passiert, wenn wir einen Salzkristall ins Wasser geben? Salz ist ein Feststoff, ein Kristall, eine organisierte Anordnung von „Salzatomen“. [...] Genau genommen besteht der Kristall nicht aus Atomen, sondern aus sogenannten Ionen. Ein Ion ist ein Atom, das entweder ein paar zusätzliche Elektronen hat oder ein paar Elektronen verloren hat. In einem Salzkristall finden wir Chlorionen (Chloratome mit einem zusätzlichen Elektron) und Natriumionen (Natriumatome mit einem fehlenden Elektron). Die Ionen haften alle durch elektrische Anziehung im festen Salz zusammen, aber wenn wir sie ins Wasser geben, stellen wir fest, dass sich einige der Ionen aufgrund der Anziehungskraft des negativen Sauerstoffs und des positiven Wasserstoffs für die Ionen lösen.

Abbildung 1-6

In Abb. 1–6 sehen wir, wie sich ein Chlorion löst und andere Atome in Form von Ionen im Wasser schweben. Dieses Bild wurde mit einiger Sorgfalt erstellt. Beachten Sie zum Beispiel, dass sich die Wasserstoffenden der Wassermoleküle eher in der Nähe des Chlorions befinden, während wir in der Nähe des Natriumions eher das Sauerstoffende finden, da das Natrium positiv ist und das Sauerstoffende des Wassers negativ ist, und sie ziehen sich elektrisch an.

Feynman hat es gut gemacht, Ihnen den Vorgang aus atomarer Sicht zu erklären. Jetzt kommt Ihre Komplexität der Trennung von Salz von Wasser in einer Salzlösung. Während des Siedevorgangs werden die intermolekularen Kräfte zwischen Wassermolekülen und auch zwischen Ionen und Wassermolekülen gebrochen.

Wassermoleküle ($\mathrm{H_2O}$) weniger massiv ($18.01528(33)$) als die beiden anderen einzelnen Ionen ($\mathrm{Na}$,$22.98976928(2)$–$\mathrm{Cl}$,$35.45(1)$), fliegt leicht ab und hinterlässt Natrium- und Chlorionen. Diese Ionen ziehen sich wiederum gegenseitig an, um Kristalle zu bilden. Mit anderen Worten, es ist Energie erforderlich, um die intermolekularen Kräfte zu brechen und Ionen aus dem Gefängnis freizusetzen, um sich ihren Partnern anzuschließen.

Bezug

1. Feynman-Vorlesungen über Physik. Vol. 1, S. 1–6 (Nummern können je nach Ausgabe variieren).

Kurz gesagt, sie sind schwer zu trennen, denn obwohl die Moleküle sehr unterschiedlich sind, haben sie Eigenschaften, die sie anziehen.

Wasser ist ein polares Molekül. Das Sauerstoffmolekül oxidiert die beiden Wasserstoffmoleküle, wodurch eine positive Ladung auf der Wasserstoffseite und eine negative Ladung auf der Sauerstoffseite entsteht.

Salz hingegen besteht aus Natrium, einem positiven Ion, und Chlor, einem negativen Ion. Die Ladungen auf dem Wassermolekül ziehen die entgegengesetzt geladenen Ionen an und ziehen sie vom Salzkristall ab, wodurch das Salz auf molekularer Ebene effektiv auseinandergebrochen wird.

Dann ist die Energie, die benötigt wird, um die Teilchen wieder zu trennen, im Wesentlichen das, was benötigt wird, um diesen Anziehungskräften entgegenzuwirken.

Sie können sehen, dass die Hydratationsenthalpie ein zweistufiger Prozess aus Solvatation und umgekehrter Kristallisation ist. Das$\Delta H_\mathrm{hydr}$ist eigentlich positiv, also muss man eben energie geben um das aufzulösen$\mathrm{NaCl}$im Wasser. Um das Wasser von der zu trennen$\mathrm{NaCl}$, müssen Sie die Verdampfungsenthalpie von Wasser und die Enthalpie der umgekehrten Hydratation berücksichtigen:

Die Temperatur wird in Kelvin angegeben, also um die herum$300\,\rm K$Markierung, die Sie sehen können$\Delta H_\mathrm{evap}$ist$44\,\rm KJ/mol$. Subtrahieren der$\Delta H_\mathrm{hydr}$, erhalten Sie eine niedrigere$\Delta H$, was bedeutet, dass das Salz tatsächlich die zum Abkochen des Wassers erforderliche Energie senkte.