El solvato es el fenómeno físico-químico que se observa durante la disolución de una sustancia química en un disolvente .
Durante la introducción de una especie química inicialmente en estado sólido (en forma de cristal o amorfo ), líquido o gas en un disolvente, los átomos , iones o moléculas de la especie química se dispersan en la solución e interactúan con las moléculas del disolvente. Esta interacción se llama solvatación. Es de diferente naturaleza según el soluto y el solvente y cubre fenómenos tan diferentes como las interacciones ion-dipolo (soluto: Na + , solvente: agua ), enlaces de hidrógeno (soluto alcohol , solvente agua) o enlaces de van der. Waals ( metano soluto , ciclohexano disolvente ).
Cuando el soluto está en la fase condensada (líquida o sólida), la solvatación entra en el balance energético que implica la separación de moléculas o iones en el soluto antes de su dispersión en el solvente. El soluto se disuelve solo si las interacciones soluto-solvente compensan la pérdida de las interacciones soluto-soluto y solvente-solvente debido a la disolución:
Para que tenga lugar la disolución, las moléculas del disolvente deben tener suficiente afinidad con las del soluto.
Desde un punto de vista microscópico, si las moléculas del solvente rodean al soluto, es porque las interacciones solvente-soluto son suficientemente estables. Esta organización de la molécula de soluto rodeada de moléculas de disolvente participa en la estructuración de la solución.
Desde un punto de vista macroscópico, la disolución implica dos tipos de energía:
El componente de entalpía da como resultado el calor de disolución, y el equilibrio de entalpía más entrópico da como resultado la entalpía libre de disolución, es decir la solubilidad, por tanto la mayor o menor cantidad de soluto que se puede disolver.
Considere el caso en el que el soluto es un sólido iónico antes de la disolución.
La solvatación de una especie depende de la naturaleza del solvente y del soluto: como regla general, un compuesto polar estará muy bien solvatado en un solvente polar , mientras que un compuesto apolar estará mejor solvatado en un solvente apolar.
La solvatación en agua se llama " hidratación ".
El ion (o molécula) solvatado está rodeado por moléculas de disolvente que están directamente unidas a él, que están orientadas (en el caso de una interacción ion-dipolo) y que se intercambian solo lentamente con moléculas externas a él. Esta primera esfera de solvatación .
Esta primera esfera está rodeada por otras moléculas de disolvente que no están directamente ligadas al ion, que están mal orientadas, que se intercambian rápidamente con moléculas de disolvente del resto de la solución y que se intercambian lentamente con las moléculas de disolvente. Moléculas de la primera esfera .
El resto de la solución se compone de moléculas de disolvente que se encuentran en el mismo estado que en ausencia de soluto. La literatura anglosajona llama a estas moléculas el grueso .
Si esta estructuración de la solución es común a los diversos solventes y solutos, el número de moléculas de solvente en cada esfera de solvatación es específico para cada tipo de solución.
El número de solvatación es el número (sin unidades) de moléculas de la primera esfera de solvatación o, según el caso, el número total de moléculas de disolvente de las dos capas de solvatación. El número de solvatación en la primera esfera es una noción bastante fácil de definir, dada la estabilidad de las interacciones solvente-soluto. En el caso de un aquacomplex, este número es la coordinación del catión central. Es 6 para un gran número de iones y, en particular, para todos los iones de transición. Para álcalis pequeños, es menor, hasta 4 para iones de litio Li + .
El número de solvatación total, incluidas las moléculas de disolvente de la segunda esfera de solvatación, es más difícil de definir. La mayoría de las veces se define por el método utilizado para medirlo. Esta disparidad, que puede parecer inquietante en primera instancia, refleja de hecho la importancia de la noción de número de solvatación en diversas situaciones.
Los métodos para determinar los números de solvatación son tan variados como:
Los números de solvatación por moléculas de agua en la primera esfera son (determinación por difracción de rayos X o neutrones, los valores pueden depender de la temperatura):
Si se encuentra una molécula de soluto o un ión en la superficie del líquido, no tendrá disponible todo su "escudo" de moléculas de disolvente. Desde un punto de vista termoquímico, su energía será mayor: la molécula (o el ión) solo estará parcialmente solvatada. Por lo tanto, la superficie extrema de la solución, las primeras capas moleculares, consta de un disolvente casi puro.
Una especie solvatada está rodeada por una capa de moléculas de disolvente. Por lo tanto, la especie solvatada es más grande que la especie sola, por lo que su movilidad es menor.
Esta esfera de solvatación es tanto más grande cuanto más pequeño el ion. Por lo tanto, el volumen efectivo del ion Na + en el agua (es decir, el volumen del ion y su esfera de solvatación) es mayor que el del ion K + , que sin embargo tiene un radio iónico mayor.