2.4 : 엔트로피와 풀이

용질을 용매로 둘러싸는 과정을 용매화라고 합니다. 이는 용매 내에 용질을 고르게 분포시키는 것과 관련됩니다. 주어진 화합물에 대한 용매를 결정하기 위한 경험 법칙은 유사하게 용해된다는 것입니다. 좋은 용매는 용해되는 화합물과 유사한 분자 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어, 극성 용액은 극성 용질을 용해시키고, 무극성 용매는 무극성 용질을 용해시킵니다. 극성 용매는 높은 유전 상수(ϵ ≥ 15)를 갖는 용매입니다. 무극성 용매는 유전 상수가 낮은 용매입니다. 유전 상수는 정전기 법칙에 의해 정의되며, 이는 거리 r만큼 떨어진 각 전하 q₁과 q₂를 갖는 두 이온 사이의 상호 작용 에너지 E를 제공합니다. 극성 용매는 이온을 서로 효과적으로 분리하거나 보호합니다. 따라서 반대 전하를 띤 이온이 결합하려는 경향은 비극성 용매에서보다 극성 용매에서 더 적습니다.

탄화수소와 물의 경우, 하나는 극성(물)이고 다른 하나는 비극성(탄화수소)입니다. 물에 탄화수소 분자가 도입되면 탄화수소-물 경계면을 따라 물 분자가 각 탄화수소 분자 주위에 용매 껍질이라고 불리는 껍질 모양의 배열을 형성합니다. 이러한 껍질 모양 배열 내의 물은 용매의 물에 비해 더 질서 있고 낮은 엔트로피를 갖습니다. 자연의 모든 시스템은 최대 엔트로피 상태를 달성하려고 시도하므로 시스템은 탄화수소와 물 사이의 상호 작용을 최소화하려고 시도하여 별도의 탄화수소와 물 층이 형성됩니다. 탄화수소와 물 사이의 엔트로피에 의한 분리를 소수성 효과라고 합니다.

엔트로피는 물에 대한 탄화수소의 불용성의 원동력이기 때문에 시스템의 온도도 천연 가스의 가장 큰 매장량 중 하나인 가스 수화물이나 포접 화합물의 공정에 영향을 미칩니다. 가스 수화물은 물과 가스의 결정성 고체 형태입니다. 고압 및 저온에서 메탄과 물이 얼 때 형성됩니다. 탄화수소 분자는 결정 구조 내에서 상대적으로 큰 열린 공간을 갖는 안정된 얼음 우리 안에 둘러싸여 있습니다. 탄화수소 분자는 이 구멍 안에 들어가므로 포접물을 형성할 수 있는 탄화수소 분자의 최대 크기를 예측할 수 있습니다.