Interazioni tra ioni e molecole neutre

Interazioni tra ioni e molecole neutre

Un particolare tipo di interazioni intermolecolari possono essere considerate quelle che si manifestano tra ioni e molecole neutre, sia polari che apolari. L'intensità di tali interazioni è superiore a quella delle forze di van der Waals ((0.1 - 10 kJ mol^-1), ma inferiore alle forze di legame (covalente, ionico e metallico) ed è dell'ordine di 10¹- 10² kJ mol^-1. 

• Interazione Ione-Dipolo permanente

Questa interazione è all'origine della solubilità delle sostanze ioniche in acqua. Durante il processo di idratazione (solvatazione) il catione attrae l'estremità negativa dei dipoli dell'acqua, l'anione l'estremità positiva. Il numero di molecole di acqua legate, denominato numero di idratazione dello ione, è direttamente proporzionale alla carica dello ione e inversamente proporzionale alla sua dimensione. Ioni piccoli come Li⁺, Na⁺, F , OH sono capaci di legare molecole di acqua nella prima sfera di idratazione e producono ordine anche oltre questa sfera, per questo si chiamano ioni strutturanti. Uno solido si scioglie se la sua energia reticolare è inferiore dell'energia di idratazione. I valori caratteristici di intensità di queste interazioni cadono nell'intervallo 40-600 kJ mol^-1.

L'energia di interazione fra uno ione avente carica q e un dipolo permanente m, libero di ruotare (e quindi in fase fluida), ad una distanza r è

dove, al solito, il segno negativo indica che l'interazione è attrattiva, con

k = costante di Boltzmann = 1,38 10^-23 J K^-1

ε_o = costante delettrica del vuoto = 8,854 10^-12 C2 m^-2 N^-1

T = temperatura assoluta

Ad esempio, a 25°C l'energia di interazione per uno ione monovalente (Q = 1,602 10^-19 C) ed una molecola d'acqua con μ = 1,85 D (= 6,17 10^-30 C m) alla distanza di 0.3 nm (= 3 10^-10 m) è di

L'energia di interazione per una mole si ottiene moltiplicando il risultato precedente per il numero di Avogadro N = 6.022 10²³ mol^-1.

- 3,95 10^-19 x 6.022 10²³ =  - 238000 J mol^-1 = - 238 kJ mol^-1

Per un dipolo stazionario l'energia di interazione con uno ione risulta inversamente proporzionale alla seconda potenza della distanza r e dipende dall'orientazione (angolo θ).

• Interazione Ione-Dipolo indotto

Il campo elettrostatico di uno ione è in grado di polarizzare un atomo o una molecola neutra ed apolare presente nelle vicinanze deformando la sua nuvola elettronica  superficiale e generando un dipolo indotto, che subisce di conseguenza un'attrazione da parte della specie ionica.

L'intensità di questa interazione dipende dalla carica (Q) dello ione, dalla polarizzabilità () della molecola (o dell'atomo) apolare e decresce con la quarta potenza della distanza (r).

Ad esempio, a 25°C l'energia di interazione per uno ione monovalente (Q = 1,602 10^-19 C) ed una molecola di tetraclorometano CCl₄ con volume di poarizzabilità α' = 10.5·10^-30 m³, alla distanza di 0.3 nm (= 3 10^-10 m) è di

L'energia di interazione per una mole si ottiene moltiplicando il risultato precedente per il numero di Avogadro N = 6.022 10²³ mol^-1.

-1,50 10^-19 x 6.022 10²³ =  - 90100 J mol^-1 = - 90,1 kJ mol^-1

Si tenga presente che: un dipolo indotto si origina sempre nell'interazione tra uno ione ed una molecola (sia essa polare o no). Se la molecola è polare, la forza di attrazione dovuta all'interazione ione-dipolo indotto si somma a quella dovuta all'interazione ione-dipolo permanente.  

In conclusione si riportano i diversi tipi di legami intermolecolari e si confrontano con i legami interatomici covalente e ionico: