Polaire en apolaire oplosmiddelen + invloed van het oplosmiddel op de oplosbaarheid
Blok 1: Definitie en eigenschappen van polaire oplosmiddelen
Definitie
Een polair oplosmiddel is een chemische vloeistof waarvan de moleculen een permanente ladingverdeling vertonen. Dit betekent dat het oplosmiddel een positief en een negatief geladen zijde heeft, als gevolg van een ongelijke verdeling van elektronen over het molecuul. Hierdoor ontstaat een elektrisch dipoolmoment, een vectoriële grootheid die de grootte en de oriëntatie van de ladingscheiding in het molecuul weergeeft.
Belangrijke concepten
Het kenmerkende van een polair oplosmiddel is het bezitten van minstens één polaire binding met een significant verschil in elektronegativiteit tussen de atomen. Door deze ladingsscheiding heeft het molecuul een positief en een negatief uiteinde, hetgeen tot sterke interacties met andere polaire moleculen leidt. Deze polariteit maakt het mogelijk om andere polaire stoffen effectief te solvateren door het vormen van dipool-dipoolinteracties of waterstofbruggen.
Het bestaan van een dipoolmoment impliceert dat het molecuul onder invloed van een elektrisch veld zal oriënteren, en het beïnvloedt de mate waarin het andere geladen of polaire deeltjes kan stabiliseren in oplossing.
Formules en berekeningen
De mate van polariteit van een oplosmiddel wordt uitgedrukt via het dipoolmoment. Het dipoolmoment [INLINE EQUATION]μ[/INLINE EQUATION] ontstaat door een scheiding van ladingen binnen het molecuul en is gedefinieerd als:
[INLINE EQUATION]μ = δ × d[/INLINE EQUATION]Waarbij:
[INLINE EQUATION]μ[/INLINE EQUATION] het dipoolmoment is (uitgedrukt in Debye, D)
[INLINE EQUATION]δ[/INLINE EQUATION] de grootte van de lading in coulomb (C)
[INLINE EQUATION]d[/INLINE EQUATION] de afstand tussen de ladingen in meter (m)
Voor de praktische beoordeling van oplosmiddelen gebruikt men eerder de relatieve dielektrische constante ([INLINE EQUATION]εr[/INLINE EQUATION]) als maat voor de polariteit. Sterk polaire oplosmiddelen (zoals water) hebben een veel hogere dielektrische constante dan apolaire.
Praktische gevolgen
Polaire oplosmiddelen kunnen zeer efficiënt ionaire en andere polaire stoffen oplossen omdat ze enerzijds de intermoleculaire bindingen in het kristalrooster van de oplosbare stof kunnen verbreken en anderzijds de gevormde ionen of moleculen stabiliseren via omhulling door polariteit. Zij maken bijvoorbeeld elektrolytoplossingen mogelijk doordat positieve en negatieve ionen afzonderlijk worden omringd.
Veel gemaakte fouten
Het verwarren van polariteit met wateroplosbaarheid: niet alle polaire stoffen zijn automatisch in water oplosbaar. Specifieke interacties zoals waterstofbrugvorming kunnen een nog grotere rol spelen.
Het negeren van het kwantitatieve verschil in polariteit tussen polaire oplosmiddelen. Er is een gradatie in polariteit; ethanol is bijvoorbeeld minder polair dan water.
Het foutief interpreteren van een molecuul met polaire bindingen als “per definitie polair”. De moleculaire geometrie kan de netto polariteit opheffen.
Blok 2: Definitie en eigenschappen van apolaire oplosmiddelen
Definitie
Een apolair oplosmiddel is een stof waarvan de moleculen een volledig evenwichtige ladingverdeling vertonen. Er is geen overschot of tekort aan geladen deeltjes binnen het molecuul, wat betekent dat er geen permanente ladingsextremen ontstaan. Apolaire moleculen vertonen daarom geen dipoolmoment.
Belangrijke concepten
Apolaire oplosmiddelen bestaan uit moleculen waarvan de elektronenwolk symmetrisch is verdeeld, zowel door gelijke elektronegativiteit als door symmetrische molecuulstructuur. Hierdoor ontbreken er permanente positieve of negatieve zijden, en zijn alleen zwakke, tijdelijke ladingsfluctuaties mogelijk (instantane dipolen).
Doordat er geen dipoolmoment aanwezig is, kunnen apolaire oplosmiddelen enkel via zwakke dispersiekrachten (Londonkrachten) met andere stoffen interageren. Dit beperkt de mogelijkheid om opgeloste stoffen te stabiliseren bij aanwezigheid van permanente ladingsscheidingen of ionen.
Formules en berekeningen
Voor apolaire oplosmiddelen geldt dat het dipoolmoment per definitie gelijk is aan nul:
[INLINE EQUATION]μ = 0[/INLINE EQUATION]Apolaire oplosmiddelen hebben bijgevolg een lage relatieve dielektrische constante ([INLINE EQUATION]εr[/INLINE EQUATION]), meestal kleiner dan 5. Hun oplossend vermogen is daarom beperkt tot stoffen waarin ook geen ladingsextremen aanwezig zijn.
Praktische gevolgen
Apolair oplosmiddelen zijn bijzonder geschikt voor het oplossen van andere apolaire stoffen. Dit gebeurt via zwakke dispersiekrachten tussen oplosmiddel en opgeloste stof. Voor het oplossen van ionaire of sterk polaire stoffen zijn ze echter ongeschikt vanwege het ontbreken van ladingsextremen om deze deeltjes te stabiliseren.
Veel gemaakte fouten
Het onvoldoende herkennen van apolaire structuur wanneer het molecuul wel polaire bindingen bevat maar de moleculaire vorm symmetrisch is, waardoor de bindende dipoolmomenten elkaar compenseren.
Het overschatten van het oplossend vermogen van apolaire oplosmiddelen voor polaire of ionaire stoffen.
Het negeren van subtiele polariteitseffecten in grotere koolwaterstoffen, waar het apolaire karakter overweldigend blijft maar kleine asymmetrie toch tot lokale polariteit kan leiden.
Blok 3: Invloed van oplosmiddel-polairiteit op de oplosbaarheid
Samenvattende conclusie
Het "soort zoekt soort"-principe beschrijft dat stoffen het gemakkelijkst oplossen in oplosmiddelen met vergelijkbare polariteit. Polaire stoffen lossen bij voorkeur op in polaire oplosmiddelen als gevolg van aantrekkelijke interactiekrachten tussen dipolen of geladen deeltjes. Apolaire stoffen daarentegen lossen beter op in apolaire oplosmiddelen, waar dispersie-interacties overheersen.
De keuze van het oplosmiddel bepaalt in sterke mate de oplosbaarheid van een stof en berust op het energetisch voordeel dat optreedt wanneer de interactie tussen oplosmiddel en opgeloste stof sterker is dan de oorspronkelijke interacties in de zuivere componenten. Dit verklaart onder andere waarom ionaire zouten slechts in polaire oplosmiddelen als water goed oplossen, terwijl vetachtige apolaire moleculen alleen in apolaire media oplossen.
Samenvatting
Polaire oplosmiddelen bezitten een dipoolmoment door een ongelijke verdeling van elektrische lading binnen het molecuul; hierdoor kunnen zij polaire en ionaire stoffen bijzonder efficiënt oplossen dankzij sterke dipool-dipoolinteracties en stabilisatie van ladingen.
Apolaire oplosmiddelen bevatten uitsluitend moleculen met een symmetrische ladingverdeling en ontbreken een dipoolmoment; zij lossen bij voorkeur andere apolaire stoffen op door zwakke dispersie-interacties.
Het “soort zoekt soort”-principe verklaart het oplossingsgedrag: polaire stoffen in polaire oplosmiddelen, apolaire stoffen in apolaire oplosmiddelen. De keuze van oplosmiddel bepaalt of een stof goed, matig of nauwelijks oplost, afhankelijk van de vergelijkbare polariteit en de daarop gebaseerde interactiekrachten.
Oefenvragen
Beredeneer waarom een oplossing van natriumchloride in water, maar niet in hexaan, gevormd kan worden ondanks dat beide vloeistoffen het zout fysiek kunnen bevochtigen. Antwoord: Water is een polair oplosmiddel met een hoog dipoolmoment en een hoge dielektrische constante, waardoor het Na+ en Cl– ionen effectief omgeeft en stabiliseert via ion-dipoolinteracties. Hexaan daarentegen is apolair, bezit geen dipoolmoment en kan de ionen niet omringen noch stabiliseren, waardoor de ionen als kristalrooster blijven bestaan en oplossend vermogen uitblijft.
Stel een molecule zoals tetrachloormethaan (CCl₄) en aceton (CH₃COCH₃) worden elk vermengd met een vettige substantie. Welke oplosmiddel is geschikter en waarom? Antwoord: Tetrachloormethaan is een apolair oplosmiddel met symmetrisch verdeelde ladingswolk, waardoor het vetten (apolair) effectiever oplost door wederzijdse dispersiekrachten. Aceton is polair en zou minder geschikt zijn voor het oplossen van apolaire vetmoleculen.
Een biochemicus ontdekt dat een bepaald glycoside slecht oplost in ethanol maar goed in water. Licht toe welk oplosmiddel het meest polair is en de relevante interacties die voor deze oplosbaarheid zorgen. Antwoord: Water is meer polair dan ethanol, beschikt bovendien over de mogelijkheid tot uitgebreidere waterstofbrugvorming dankzij zijn structuur. Glycosiden zijn sterk polair vanwege talrijke hydroxylgroepen, welke intens met water interageren via waterstofbruggen, wat de oplosbaarheid verklaart. Ethanol heeft weliswaar polariteit, maar een minder uitgebreid netwerk van waterstofbruggen, waardoor de oplosbaarheid lager uitvalt.