용매이션

Solvation
구원과 혼동하지 말 것.
물 분자에 의해 용해되는 나트륨 이온

용매화(또는 용해)는 용매와 용해된 분자의 상호작용을 말합니다.이온화된 분자와 대전되지 않은 분자는 모두 용매와 강하게 상호작용하며, 이 상호작용의 강도와 성질은 용매의 많은 특성(용매성, 반응성, 색 등)과 점도와 밀도와 [1]같은 용매의 특성에 영향을 미칩니다.용매화 과정에서 이온은 용제의 동심원 셸에 둘러싸여 있다.용매화는 용매와 용질 분자를 용매 복합체로 재구성하는 과정이다.용매화에는 결합 형성, 수소 결합, 판데르발스 힘이 포함됩니다.물에 의한 용질의 용해를 수화라고 [2]한다.

고체 화합물의 용해성은 용매 [3]구조의 변화와 관련된 엔트로피 효과를 포함하여 격자 에너지와 용매화 사이의 경쟁에 따라 달라집니다.

용해도와의 구별

IUPAC [4]정의에 따르면 용매화는 용매와 용매의 상호작용으로 용액 중 용매종의 안정화를 가져온다.용매화 상태에서 용액 중의 이온 또는 분자를 용매 분자로 둘러싸거나 착화시킨다.용해된 종은 종종 배위수 및 복잡한 안정성 상수로 설명될 수 있다.용매 상호작용의 개념은 예를 들어 이온 교환 수지 표면의 관능기 용매화 등 불용성 물질에도 적용될 수 있다.

용해는 개념적으로 용해성과는 다르다.용해 또는 용해는 운동 과정이며 그 속도에 의해 정량화된다.용해도는 용해 속도가 강수 속도와 같을 때 달성되는 동적 평형 상태를 정량화합니다.단위를 고려하면 구분이 명확해집니다.용해율의 일반적인 단위는 mol/s입니다.용해도 단위는 mass per volume(mg/mL), molarity(mol/L)[5] 등의 농도를 나타낸다.

용제 및 분자간 상호작용

용매화는 수소 결합, 이온-다이폴 상호작용, 반데르발스 힘(쌍극자-다이폴 유도 쌍극자 및 유도 쌍극자-다이폴 상호작용으로 구성됨) 등 다양한 유형의 분자간 상호작용을 포함한다.이 힘들 중 어떤 힘이 작용하는지, 용매와 용질의 분자 구조와 특성에 따라 달라집니다.용매와 용질 사이의 이러한 성질의 유사성 또는 상호보완성은 용질이 특정 용매에 의해 얼마나 잘 용해될 수 있는지를 결정합니다.

나일 레드(상단 열)와 자외선 라이트(상단 열)가 다른 용매에 들어 있습니다.왼쪽에서 오른쪽으로: 1물, 2메탄올, 3에탄올, 4아세토니트릴, 5세디메틸포름아미드, 6아세톤, 7번에틸아세테이트, 8디클로르메탄 9, n-헥산, 10메틸-터-부틸에테르, 11살시클로헥산, 12살톨루엔.사진작가: Armin Kübelbeck, CC-BY-SA, Wikimedia Commons

용매 극성은 특정 용질을 얼마나 잘 용해시키는지 결정하는 데 가장 중요한 요소입니다.극성 용제는 분자 쌍극자를 가지고 있는데, 이는 용제 분자의 일부가 분자의 다른 부분보다 전자 밀도가 더 높다는 것을 의미합니다.전자 밀도가 높은 부분에서는 부분 음전하가 발생하고 전자 밀도가 낮은 부분에서는 부분 양전하가 발생합니다.극성 용매 분자는 극성 용질 및 이온을 용해시킬 수 있는데, 이는 분자의 부분적으로 대전된 부분을 정전 흡인을 통해 용질 쪽으로 향하게 할 수 있기 때문입니다.이렇게 하면 시스템이 안정되고 용질의 각 입자 주위에 용매 셸(또는 물의 경우 수화 셸)이 생성됩니다.용질 입자 바로 근처에 있는 용매 분자는 종종 용매의 나머지 분자와 순서가 많이 다르며, 이 다른 용매 분자의 영역을 세포핵성 [6]영역이라고 합니다.물은 가장 흔하고 잘 연구된 극성 용제이지만, 에탄올, 메탄올, 아세톤, 아세토니트릴, 그리고 디메틸 술폭시드와 같은 다른 용제가 존재합니다.극성 용제는 종종 높은 유전율을 가지고 있는 것으로 확인되지만, 다른 용제 눈금은 용제 극성을 분류하는 데에도 사용됩니다.극성 용제는 소금과 같은 무기 화합물 또는 이온 화합물을 용해하는 데 사용될 수 있습니다.용액의 전도율은 이온의 용해에 따라 달라집니다.비극성 용제는 이온을 용해시킬 수 없으며 이온은 이온 쌍으로 발견됩니다.

용매와 용질 분자 사이의 수소 결합은 각각이 H 결합을 받아들이거나 H 결합을 기증하거나 둘 다 하는 능력에 달려 있다.H 결합을 기증할 수 있는 용제는 프로틱이라고 하며, 수소 원자에 대한 편광 결합을 포함하지 않고 수소 결합을 기증할 수 없는 용제는 비프로틱이라고 합니다.H-결합 공여능력은 척도([7]α)로 분류된다.프로톤 용제는 수소 결합을 수용할 수 있는 용질을 용해시킬 수 있다.마찬가지로 수소 결합을 수용할 수 있는 용제는 H 결합 기증 용질을 용해시킬 수 있다.용제의 수소 결합 수용체 능력은 척도(β)[8]로 분류된다.물과 같은 용제는 수소 결합을 기증하거나 수용하여 H 결합을 기증하거나 수용(또는 둘 다)할 수 있는 용매화 능력이 뛰어납니다.

일부 화합물은 솔바토크로미즘(solvatochromism)을 경험하는데, 이는 용매 극성으로 인한 색상의 변화이다.이 현상은 용제에 따라 동일한 용질과의 상호작용이 어떻게 다른지를 보여줍니다.다른 용매 효과로는 배향적 또는 이성질적 선호와 용질 산도의 변화가 있다.

용매화 에너지 및 열역학적 고려사항

용매화 과정은 분리된 용매와 고체(또는 가스 또는 액체)의 깁스 에너지와 비교하여 용액의 전체적인 깁스 에너지가 감소하는 경우에만 열역학적으로 선호된다.즉, 엔탈피의 변화에서 엔트로피의 변화(절대 온도에 곱한 값)를 뺀 값이 음수이거나 시스템의 깁스 에너지가 감소하는 것입니다.음의 깁스 에너지는 자발적 과정을 나타내지만 용해 속도에 대한 정보는 제공하지 않습니다.

용매화에는 에너지 영향이 다른 여러 단계가 포함됩니다.첫째, 용질을 위한 공간을 만들기 위해 용매에 공동이 형성되어야 한다.이는 용매 순서가 증가하고 용매와 용제의 상호작용이 감소하기 때문에 장내 및 장내 모두에 좋지 않습니다.용제 분자 간의 상호작용이 강할수록 캐비티 형성에 대한 장내 패널티가 커집니다.다음으로 용질 입자가 벌크에서 분리되어야 합니다.이는 용질-용질 상호작용이 감소하기 때문에 엔탈피적으로 불리하지만, 용질입자가 캐비티에 들어오면 결과적으로 발생하는 용매-용질 상호작용은 엔탈피적으로 유리하다.마지막으로 용질이 용매에 섞이면 엔트로피 [6]이득이 생긴다.

Solvation of a solute by solvent

용액의 엔탈피는 용액 엔탈피에서 분리된 시스템의 엔탈피를 뺀 값인 반면, 용액의 엔트로피는 상응하는 엔트로피의 차이입니다.용매화 에너지(기브스 자유 에너지의 변화)는 엔탈피의 변화에서 온도의 곱(켈빈 단위)을 곱한 엔트로피의 변화입니다.가스는 용해되면서 가스의 부피가 감소하기 때문에 용액의 엔트로피가 음수이다.용액의 엔탈피는 온도에 따라 크게 감소하지 않으며, 용액의 엔트로피는 음수이며 온도에 따라 현저하게 변화하지 않기 때문에 대부분의 기체는 고온에서 용해성이 낮다.

용매화의 엔탈피는 왜 용매화가 일부 이온 격자와 함께 일어나는지를 설명하는데 도움을 줄 수 있다.격자에서 이온을 방출하는 데 필요한 에너지와 용제 분자와 결합할 때 발생하는 에너지의 차이를 용액의 엔탈피 변화라고 합니다.용액의 엔탈피 변화에 대한 음의 값은 용해 가능성이 있는 이온에 해당하며, 양의 값이 높으면 용해가 발생하지 않는다는 것을 의미한다.이온은 양의 엔탈피 값을 가지고 있어도 녹을 가능성이 있다.필요한 추가 에너지는 이온이 용해될 때 발생하는 엔트로피의 증가에서 나옵니다.엔트로피의 도입은 물질의 용해 여부를 계산만으로는 판단하기 어렵게 한다.용제의 용매화력에 대한 정량적 측정은 기증자 번호로 [9]주어진다.

초기 생각은 이온 반지름에 대한 양이온의 이온 전하 비율 또는 전하 밀도가 높을수록 용해가 증가한다는 것이었지만, 이는 쉽게 가수 분해되어 불용성(수성) 산화물을 형성하는 철(III)이나 란타니드 및 액티니드와 같은 이온에 대한 정밀 조사를 견디지 못한다.이것들은 고체이기 때문에 용해되지 않은 것이 분명하다.

강한 용매-용질 상호작용은 용매화 과정을 보다 유리하게 만듭니다.다른 용매에서 용질의 용해가 얼마나 유리한지 비교하는 한 가지 방법은 전달의 자유 에너지를 고려하는 것입니다.전달의 자유 에너지는 두 가지 용매에 포함된 용질의 희석 용액 사이의 자유 에너지 차이를 정량화합니다.이 값은 기본적으로 용질-용질 [6]상호작용을 포함하지 않고 용매화 에너지를 비교할 수 있도록 한다.

일반적으로 용액의 열역학적 분석은 반응으로 모델링함으로써 이루어집니다.예를 들어, 만약 당신이 물에 염화나트륨을 첨가한다면, 소금은 이온 나트륨과 염화물(-aq)로 분해될 것입니다.이 해리에 대한 평형 상수는 이 반응의 깁스 에너지의 변화에 의해 예측될 수 있다.

Born 방정식은 기체 이온의 용매화 기브스 자유 에너지를 추정하기 위해 사용됩니다.

최근의 시뮬레이션 연구는 이온과 주변 물 분자 사이의 용매화 에너지의 변화가 호프마이스터 [10][1]시리즈의 메커니즘에 기초한다는 것을 보여주었다.

고분자 및 조립체

용매화(특히 수화)는 많은 생물학적 구조와 과정에서 중요하다.예를 들어 수용액 중 이온 및/또는 DNA 및 단백질과 같은 하전 고분자의 용매화는 생물학적 [11]기능을 담당할 수 있는 이종 어셈블리의 형성에 영향을 미칠 수 있다.또 다른 예로서 단백질 접힘은 부분적으로 단백질과 주변 물 분자 사이의 상호작용의 양호한 변화 때문에 자발적으로 일어난다.접힌 단백질은 수소 [12]결합을 포함한 접힌 단백질 구조에서의 용매화 및 보다 강한 분자 내 상호작용의 조합에 의해 전개 상태에 비해 5~10kcal/mol 안정화된다.접힌 단백질의 중심에 매몰하여 물에 노출되는 소수성 측쇄의 수를 최소화하는 것이 용매화와 관련된 원동력이다.

해결은 호스트-게스트의 복잡화에도 영향을 미칩니다.많은 숙주 분자들은 소수성 손님을 쉽게 캡슐화하는 소수성 기공을 가지고 있다.이러한 상호작용은 약물을 가용화하기 위해 약물을 공유적으로 수정할 필요 없이 생물학적 시스템에서 약물 분자가 전달될 수 있도록 약물 전달과 같은 응용 분야에서 사용될 수 있다.호스트-게스트 복합체의 결합 상수는 [13]용제의 극성에 따라 달라집니다.

수화 작용은 생체 [14][15]분자의 전자적 특성과 진동적 특성에 영향을 미친다.

컴퓨터 시뮬레이션에서 용매화의 중요성

고분자 구조에 대한 용해 효과의 중요성 때문에, 용제의 효과(공포 상태)를 포함하지 않고 동작을 모델링하려고 시도한 초기 컴퓨터 시뮬레이션은 용액에서 얻은 실험 데이터와 비교할 때 좋지 않은 결과를 얻을 수 있다.또한 작은 분자는 진공에서 시뮬레이션할 때 보다 콤팩트한 형태를 취할 수 있습니다. 이는 용제의 존재 하에서 감쇠될 수 있는 양호한 판데르발스 상호작용 및 분자 내 정전 상호작용 때문입니다.

컴퓨터 파워가 증가함에 따라 시뮬레이션에 용매화의 효과를 포함시키는 것이 가능해졌다. 가장 간단한 방법은 피부가 충분히 [16]깊다면 용매 한 방울 내에서 분자를 시뮬레이션하는 것과 유사하게 시뮬레이션되는 분자를 용매 분자로 둘러싸는 것이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b M. Andreev; J. de Pable; A. Chremos; J. F. Douglas (2018). "Influence of Ion Solvation on the Properties of Electrolyte Solutions". J. Phys. Chem. B. 122 (14): 4029–4034. doi:10.1021/acs.jpcb.8b00518. PMID 29611710.
  2. ^ Cambell, Neil (2006). Chemistry - California Edition. Boston, Massachusetts: Pearson Prentice Hall. p. 734. ISBN 978-0-13-201304-8.
  3. ^ Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. p. 823. ISBN 978-0-08-037941-8.
  4. ^ IUPAC, 화학 용어집, 제2판('골드북') (1997).온라인 수정판: (2006–) "솔루션".doi:10.1351/goldbook.S05747
  5. ^ 용해성 – 공통 측정 단위
  6. ^ a b c 에릭 V. 앤슬린; 데니스 A.Dougherty (2006)현대 물리 유기 화학대학 과학 서적ISBN 978-1-891389-31-3.
  7. ^ Taft R. W., Kamlet M. J. (1976). "The solvatochromic comparison method. 2. The .alpha.-scale of solvent hydrogen-bond donor (HBD) acidities". J. Am. Chem. Soc. 98 (10): 2886–2894. doi:10.1021/ja00426a036.
  8. ^ Taft R. W., Kamlet M. J. (1976). "The solvatochromic comparison method. 1. The .beta.-scale of solvent hydrogen-bond acceptor (HBA) basicities". J. Am. Chem. Soc. 98 (2): 377–383. doi:10.1021/ja00418a009.
  9. ^ Gutmann V (1976). "Solvent effects on the reactivities of organometallic compounds". Coord. Chem. Rev. 18 (2): 225. doi:10.1016/S0010-8545(00)82045-7.
  10. ^ M. Andreev; A. Chremos; J. de Pablo; J. F. Douglas (2017). "Coarse-Grained Model of the Dynamics of Electrolyte Solutions". J. Phys. Chem. B. 121 (34): 8195–8202. doi:10.1021/acs.jpcb.7b04297. PMID 28816050.
  11. ^ A. Chremos; J. F. Douglas (2018). "Polyelectrolyte association and solvation". The Journal of Chemical Physics. 149 (16): 163305. Bibcode:2018JChPh.149p3305C. doi:10.1063/1.5030530. PMC 6217855. PMID 30384680.
  12. ^ Pace CN, Shirley BA, McNutt M, Gajiwala K (1996). "Forces contributing to the conformational stability of proteins". FASEB Journal. 10 (1): 75–83. doi:10.1096/fasebj.10.1.8566551. PMID 8566551. S2CID 20021399.{{cite journal}}: CS1 maint: 여러 이름: 작성자 목록(링크)
  13. ^ Sted, J. W. 및 Atwood, J. L. (2013) 초분자 화학.제2판Wiley. ISBN 1118681509, 9781118681503.
  14. ^ Mashaghi Alireza; et al. (2012). "Hydration strongly affects the molecular and electronic structure of membrane phospholipids". J. Chem. Phys. 136 (11): 114709. Bibcode:2012JChPh.136k4709M. doi:10.1063/1.3694280. PMID 22443792.
  15. ^ Bonn Mischa; et al. (2012). "Interfacial Water Facilitates Energy Transfer by Inducing Extended Vibrations in Membrane Lipids". J Phys Chem. 116 (22): 6455–6460. doi:10.1021/jp302478a. PMID 22594454.
  16. ^ Leach, Andrew R. (2001). Molecular modelling : principles and applications (2nd ed.). Harlow, England: Prentice Hall. p. 320. ISBN 0-582-38210-6. OCLC 45008511.

추가 정보

  • Dogonadze, Revaz; et al., eds. (1985–88). The Chemical Physics of Solvation (3 vols. ed.). Amsterdam: Elsevier. ISBN 0-444-42551-9(부품 A), ISBN 0-444-42674-4(부품 B), ISBN 0-444-42984-0(화학)
  • JiangD, 우라카와 A, Yulikov M., Mallat T., Jeschke G., Baiker A(2009년)."촉매 활성의 구리를 metal-organic 구조와 기원의 에폭시 알코올 분해에 크기 선택성".화학. 15세(45):12255–62. doi:10.1002/chem.200901510.PMID 19806616.{{ 들고 일기}}:CS1 maint:복수의 이름:작가들(링크)[한solvated MOF, 은 일부 해산하게 설명합니다의 한 예이다.]을 열거한다.

외부 링크

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