2.4 : Entropia i solwatacja

Proces otaczania substancji rozpuszczonej rozpuszczalnikiem nazywa się solwatacją. Polega na równomiernym rozprowadzeniu substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku. Praktyczna zasada określania rozpuszczalnika dla danego związku jest taka, że podobne rozpuszcza się w podobnym. Dobry rozpuszczalnik ma właściwości molekularne podobne do właściwości związku rozpuszczanego. Na przykład roztwory polarne rozpuszczają polarne substancje, a niepolarne rozpuszczalniki rozpuszczają niepolarne substancje rozpuszczone. Rozpuszczalnik polarny to rozpuszczalnik o wysokiej stałej dielektrycznej (ϵ ≥ 15); rozpuszczalnik apolarny to rozpuszczalnik o niskiej stałej dielektrycznej. Stałą dielektryczną definiuje prawo elektrostatyczne, które podaje energię oddziaływania E pomiędzy dwoma jonami o odpowiednich ładunkach q₁ i q₂ oddalonymi od siebie o odległość r. Rozpuszczalnik polarny skutecznie oddziela lub odgradza jony od siebie. Dlatego tendencja przeciwnie naładowanych jonów do łączenia się jest mniejsza w rozpuszczalniku polarnym niż w rozpuszczalniku apolarnym.

W przypadku węglowodoru i wody, jeden jest polarny (woda), a drugi jest niepolarny (węglowodór). Po wprowadzeniu cząsteczek węglowodorów do wody cząsteczki wody wzdłuż granicy faz węglowodór-woda tworzą wokół każdej cząsteczki węglowodoru układ przypominający powłokę zwany powłoką rozpuszczalnika. Woda w tych układach przypominających skorupę jest bardziej uporządkowana i ma niższą entropię w porównaniu z wodą w rozpuszczalniku. Ponieważ każdy system w przyrodzie stara się osiągnąć stan maksymalnej entropii, system stara się minimalizować interakcje pomiędzy węglowodorem i wodą, co powoduje powstawanie oddzielnych warstw węglowodoru i wody. To napędzane entropią oddzielenie węglowodoru od wody nazywa się efektem hydrofobowym.

Ponieważ entropia jest czynnikiem powodującym nierozpuszczalność węglowodorów w wodzie, temperatura układu wpływa również na proces, na przykład w hydratach lub klatratach gazów, będących jednym z największych złóż gazu ziemnego. Hydraty gazów to krystaliczne, stałe formy wody i gazu. Powstają, gdy metan i woda zamarzają pod wysokim ciśnieniem i w niskich temperaturach. Cząsteczki węglowodorów są zamknięte w stabilnych klatkach lodowych, które w swojej strukturze krystalicznej mają stosunkowo duże otwarte przestrzenie. Cząsteczki węglowodorów mieszczą się w tych dziurach, co pozwala przewidzieć maksymalny rozmiar cząsteczek węglowodorów, które mogą tworzyć klatraty.