Dotaz

Začneme trochu ze široka. Pokud smícháme dvě látky, vznikne směs. Látka, která je ve směsi v nadbytku, se obvykle nazývá rozpouštědlo. My si pod tímto pojmem představíme nejčastěji kapalinu, ale může to být i plyn nebo pevná látka. Asi nejběžnějším rozpouštědlem je voda, proto se budeme dále bavit o rozpouštění (plynů, kapalin či pevných látek) ve vodě.

Po přidání látky do vody může dojít ke dvěma situacím: látka se ve vodě buď nerozpouští, nebo rozpouští. Nás zajímá druhá možnost. Jako příklad si vezměme chlorid sodný neboli kuchyňskou sůl.

Při rozpouštění probíhají dva děje, jejichž součet má vliv na to, zda se výsledný roztok zahřeje, ochladí, či „neudělá nic“.

Abychom pevnou látku rozpustili, musíme nejdříve rozbít vazby v její krystalové mřížce. K tomu je nutné dodat energii, kterou nazýváme mřížková energie. V případě chloridu sodného musíme dodat asi 776 kJ na 1 mol. (Jeden mol odpovídá zhruba 58,4 g NaCl.)

Druhým významným krokem během rozpouštění je hydratace iontů (či molekul). Při hydrataci dochází k obalení iontu molekulami vody. Molekula vody je takzvaně polární – má částečný kladný náboj na atomech vodíku a částečný záporný náboj na atomu kyslíku. K záporně nabitému iontu (aniontu) se proto voda orientuje kladnými částmi svých molekul, zatímco ke kladnému iontu (kationtu) částmi zápornými.

Při hydrataci se uvolní takzvaná hydratační energie. Odkud se bere? Velmi zjednodušeně lze říci, že hydratací se zvýší stabilita systému, což je spojeno s produkcí energie. Velkou roli při rozpouštění hraje také entropie neboli zjednodušeně míra neuspořádanosti systému.

O tom, zda se během rozpouštění energie celkově uvolní, nebo spotřebuje, rozhoduje rozdíl mezi mřížkovou a hydratační energií. V našem příkladu je mřížková energie NaCl +776 kJ/mol, hydratační energie iontů jsou −381 kJ/mol (pro Cl⁻) a −390 kJ/mol (pro Na⁺). Po sečtení nám vyjde, že celková energie je +5 kJ/mol. Znamená to, že na rozpuštění jednoho molu NaCl se spotřebuje 5 000 J energie, což je poměrně málo.

Nemusíme mít tedy strach, že by se nám polévka při solení příliš ochlazovala. Jeden mol NaCl (přibližně 58 gramů) by se nám sice v talíři horké polévky rozpustit podařilo, ale ta by pak určitě nebyla poživatelná. Její teplota by se přitom snížila maximálně o jednotky stupňů Celsia (200 ml o 6 °C za ideálních podmínek).

V případě míchání ethanolu s vodou také dochází k energetickým změnám – mimo jiné i k takzvané objemové kontrakci, kdy je součet původních objemů větší než objem výsledné směsi. Největší energie (teplo) se uvolní, když vznikne asi 7% roztok ethanolu ve vodě. Konkrétně jde zhruba o 800 J/mol, ale ani to nestačí, abychom pocitově zaznamenali zahřátí roztoku. Směs by se za ideálních podmínek ohřála jen o několik desetin stupně Celsia, takže bychom potřebovali tepelně izolovanou nádobu a velmi citlivý teploměr, abychom to vůbec zaznamenali.

Pro srovnání uveďme například hydroxid sodný, který při rozpouštění uvolní 44,2 kJ/mol. Srozumitelně řečeno, 40 g NaOH je schopno za ideálních podmínek (pokud nepočítáme s tepelnými ztrátami) ohřát 100 ml vody až k varu.

Tepelné změny při rozpouštění velmi pěkně ilustrují také pravidlo ředění kyselin. Ve škole jsme asi všichni slyšeli poučku, že se vždy musí lít kyselina do vody, nikdy obráceně. Ale proč?

Kyseliny jsou silně polární látky, které při styku s vodou disociují – odštěpují kationty H⁺. Tyto ionty se ve vodě hydratují, přičemž se uvolňuje velké množství energie ve formě tepla. V případě kyseliny sírové jde o 94,5 kJ/mol, což je asi dvakrát více než při rozpouštění hydroxidu sodného. Jeden mol kyseliny sírové (zhruba 98 g) je tedy za ideálních podmínek schopen ohřát k varu plný hrnek studené vody (přes 200 ml).

Nebezpečí tkví právě v prudkém zvýšení teploty při disociaci. Pokud bychom postupovali opačně a do koncentrované kyseliny přidali trochu vody, došlo by v daném místě k prudkému zvýšení teploty. V malém objemu vody disociuje mnoho molekul kyseliny, uvolní se obrovské množství energie, směs se může začít vařit a vyprsknout do okolí. To v případě silně žíravé kyseliny sírové není vůbec příjemná představa.

Existují ovšem také látky, jež při rozpouštění teplo spotřebovávají. Běžným příkladem je dusičnan amonný, který na rozpuštění jednoho molu potřebuje dodat 25,4 kJ energie. Jinými slovy to znamená, že dusičnan amonný odebírá energii (teplo) vodě, čímž ji ochlazuje. Jeden mol dusičnanu amonného může v ideálním případě ochladit 100 ml vody z 60 °C na nulu. Podobně spotřebovávají teplo při rozpouštění ve vodě i močovina nebo chlorečnan draselný.